ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LOPEZ MATEOS”
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
“
Diseño y construcción de un dispositivo electrónico
para adquisición de señales bioeléctricas
”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN:
Sandra Hernández Colín
Arturo Olmedo Flores
ASESORES:
M. en C. Pedro Gustavo Magaña del Río
Dr. Christopher René Torres San Miguel
Dra. Esther Lugo González
Agradecimientos.
Dedicamos esta tesis a todas las personas que han colaborado directa o
indirectamente para cumplir este logro tan importante. A Dios, nuestros
padres, hermanos, amigos, profesores, al Politécnico y a la ESIME. Gracias
Al Dr. Christopher por el tiempo que nos dedicó aún con altibajos y al Maestro
Pedro y Dra. Esther, que han sido pilar importante en la realización de ésta
tesis. Gracias por el apoyo, orientación y sobre todo su paciencia.
͞
Diseño y construcción de
Dispositivo electrónico para
adquisición de señales
O B J E T I V O
Índice de Contenido
INTRODUCCIÓN ... 12
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 14
JUSTIFICACIÓN. ... 15
ANTECEDENTES ... 15
CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN DE CONCEPTOS ... 24
1.1. Señales bioeléctricas ... 24
1.2. Las señales cardiacas. ... 25
1.2.1 Descripción de las partes fundamentales del corazón humano. ... 26
1.2.2 Funcionamiento básico y origen de los potenciales de acción. ... 30
1.2.3 Actividad eléctrica. ... 35
1.2.4 El ECG y sus características. ... 37
1.3 Señales mioeléctricas ... 42
1.3.1 Definición de la electromiografía... 42
1.3.2 Funcionamiento básico de miembros superiores ... 45
1.3.3 Generación de señales mioeléctricas ... 47
CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL DISPOSITIVO ... 53
2.1 Introducción al diseño del dispositivo ... 53
2.2 Bloques de la interface entre paciente - máquina. ... 54
2.3 Bloques del diseño electrónico del dispositivo ... 55
2.4 Diseño para la adquisición de señales bioelectricas. ... 56
2.5 Simulación del ECG ... 58
2.5.1 Simulación del dispositivo sin filtro Nocht. ... 58
2.5.2 Simulación del dispositivo con filtro Nocht. ... 60
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DEL DISPOSITIVO. ... 65
3.1 Etapa 1: Adquisición de la señal bioeléctrica. ... 65
3.1.1 Electrodos. ... 66
3.1.1.1 Tierra virtual. ... 74
3.1.1.2 Realimentación activa ... 75
3.1.2 Cables para electrodos. ... 76
3.2 Etapa 2: Adecuación de la señal bioeléctrica. ... 77
3.2.1 Amplificador de instrumentación. ... 77
3.2.1.1 Unidad de la pierna derecha. ... 81
3.2.2 Diseño del Filtro Notch. ... 81
3.2.3 Inversor ... 84
3.2.4 Sumador ... 86
3.3 Etapa 3: Procesamiento de la señal eléctrica. ... 87
3.3.1 Microcontrolador familia MSP430G. ... 87
3.3.2.1 Voltajes de referencia: Externas e Interna ... 93
3.3.2.2 Reloj de conversión y Divisor ... 98
3.3.2.3 Conversión Triggers. ... 99
3.3.2.4 Modos de conversión. ... 105
3.3.3 Comunicación Serial UART ... 119
3.3.3.1 Puertos de transmisión y recepción del UART. ... 120
3.3.3.2 Configuración del USCI_A0 para UART. ... 122
3.3.3.3 Tasa de transferencia del UART en el USCI_A0. ... 123
CAPÍTULO 4 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO Y COSTOS ... 128
4.1 Programa del microcontrolador MSP430G2553 para el procesamiento de la señal eléctrica. ... 129
4.2 Diseño del dispositivo, terminales y su funcionalidad ... 137
4.3 Diseño del PCB ... 139
4.4 Costos del Dispositivo. ... 141
4.5 Señal del dispositivo con filtro ... 142
CONCLUSIONES ... 146
Índice de Figuras
CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN DE CONCEPTOS
Figura 1.1 Representación gráfica de venas, aurículas, ventrículos y válvulas cardiacas.
... 26
Figura 1.2 Paredes del corazón ... 28
Figura 1.3 Partes del corazón que ayudan al bombeo de sangre. ... 29
Figura 1.4 Fase de bombeo denominada Diástole. ... 30
Figura 1.5 Fase de bombeo denominada Sístole. ... 31
Figura 1.6 a) Inicio de la diástole ventricular, b) Sístole auricular y c) Final de la diástole ventricular. ... 32
Figura 1.7 Representación de la distribución iónica dentro y fuera de la célula cuando ésta se encuentra en reposo, cuando se excita de forma espontánea o a través de un estímulo eléctrico externo y durante el proceso de repolarización. ... 34
Figura 1.8 a) Generación del potencial de acción en el nodo sino auricular, b) Contracción de las aurículas debida a la propagación del potencial de acción del nodo sino auricular hacia el nodo auriculoventricular, c) Distribución del potencial de acción en los ventrículos a través de las fibras ramificadas. ... 36
Figura 1.9 a) Contracción de los ventrículos debido a su despolarización, b) Proceso de recuperación ventricular, c) Retorno de cada una de las células a su potencial de reposo. ... 36
Figura 1.10 Descripción de la despolarización y repolarización sobre un ECG. ... 37
Figura 1.11 Diferentes intervalos de tiempo importantes en el diagnóstico cardíaco. ... 38
Figura 1.12 Señales del ECG. Correlación de las múltiples señales que se generan en el corazón, debido a la despolarización de los diferentes tipos de células con tal de generar la ECG. La forma de la ECG es aproximadamente la que se encuentra en un corazón saludable ... 40
Figura 1.13 Laboratorio de electrofisiología de Herbert Gasser. ... 43
Figura 1.14 Video juego controlado por los músculos del antebrazo. ... 44
Figura 1.15 Fijaciones de un músculo esquelético. ... 45
Figura 1.16 Músculos que actúan sobre el antebrazo ... 46
Figura 1.17 Neurona motora. ... 48
Figura 1.18 Etapas del potencial de acción. ... 49
Figura 1.19 Procesos de despolarización y repolarización en la neurona muscular. ... 50
CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL DISPOSITIVO Figura 2.1 Diagrama a bloques de comunicación del dispositivo hacia la computadora. . 55
Figura 2.2 Bloques de diseño electrónico, y su cambio respectivo en la señal bioeléctrica medica. ... 56
Figura 2.3 Bloque de adecuación de la señal del dispositivo electrónico ... 57
Figura 2.5 Circuito con amplificador operacional e inversor. ... 60
Figura 2.6 Circuito con amplificador operacional, filtro Notch e inversor. ... 61
Figura 2.7 Generador de señal cardiaca ... 60
Figura 2.8 Señal cardiaca con señal de 60 hz ... 61
Figura 2.9 Circuito final del filtro Nocht ... 62
Figura 2.10 Bloque de adecuación de la señal por medio de un amplificador de instrumentación. ... 63
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DEL DISPOSITIVO Figura 3.1 Circuito equivalente de la interface de electrodo para biopotencial. ... 67
Figura 3.2 Circuito equivalente de la medida de biopotenciales con dos electrodos. ... 67
Figura 3.3 Diagrama de electrodo superficial flotante. ... 70
Figura 3.4 Electrodo de esponja.y Figura 3.5 Electrodo por la otra cara. ... 71
Figura 3.6 Bícep Braquial. Y Figura 3.7 Colocación de los electrodos. ... 73
Figura 3.8 Realimentación activa ... 75
Figura 3.9 Cables para electrodos. ... 76
Figura 3.10 Vista superior del Amplificador AD620. ... 78
Figura 3.11 Amplificador de instrumentación. ... 79
Figura 3.12 Amplificador Diferencial. ... 79
Figura 3.13 Unidad de Pierna Derecha. ... 81
Figura 3.14 Filtro Muesca... 82
Figura 3.15 Función de transferencia o ganancia |Av(s)|. ... 84
Figura 3.16 Amplificador Inversor. ... 85
Figura 3.17 Diagrama eléctrico del amplificador operacional como sumador inversor. .... 86
Figura 3.18 Diagrama eléctrico del amplificador operacional como sumador, no inversor. ... 87
Figura 3.19 Arquitectura general del microcontrolador MSP430G2553 ... 88
Figura 3.20 Diagrama esquemático del convertidor analógico digital. ... 89
Figura 3.21 Se muestra esquema general del ADC10. ... 90
Figura 3.22 Función de transferencia de sensor de temperatura... 92
Figura 3.23 ADC10CTL1, ADC10 Registro de control 1. ... 93
Figura 3.24 Configuración de los bits INHx. ... 93
Figura 3.25 Voltajes de referencia externa e interna. ... 94
Figura 3.26 Valores de referencia de voltaje externa. ... 95
Figura 3.27 Trayectoria de voltaje de referencia internar positiva. ... 96
Figura 3.28 ADC10CTL0, ADC10 Registro de control 0. ... 97
Figura 3.29 ADC10CTL0, ADC10 Bits de configuración SREFx... 97
Figura 3.30 Diagrama de bloques del ADC10. ... 98
Figura 3.31 Parámetros de tiempo del ADC 10-Bit. ... 99
Figura 3.32 ADC10CTL1, ADC10 Registro de control 0. ... 99
Figura 3.33 ADC10CTL1, ADC10 Registro de control 1. ... 99
Figura 3.34 Diagrama a bloques del ADC10. ... 100
Figura 3.35 Elementos involucrados para la habilitación del trigger. ... 101
Figura 3.37 Circuito eléctrico equivalente del canal de conversión del microcontrolador.
... 102
Figura 3.38 Señales de tiempo de maestro y tiempo de conversión. ... 104
Figura 3.39 Etapas involucradas para configurar los modos de conversión. ... 105
Figura 3.40 Diagrama de flujo del primer modo de conversión del ADC. ... 107
Figura 3.41 Diagrama de flujo del segundo modo de conversión del ADC. ... 109
Figura 3.42 Diagrama de flujo del tercer modo de conversión del ADC. ... 111
Figura 3.43 Diagrama de flujo del cuarto modo de conversión del ADC. ... 113
Figura 3.44 Registros involucrados para la configuración de los modos de conversión. ... 114
Figura 3.45 Diagrama de flujo del controlador de transferencia de datos a un bloque de transferencia. ... 116
Figura 3.46 Diagrama de flujo del controlador de transferencia de datos a dos bloques de transferencia. ... 118
Figura 3.47 Bits para configuración del controlador de transferencia de datos. ... 119
Figura 3.48 Diagrama funcional del microcontrolador MSP430G2553. ... 121
Figura 3.49 Terminales del microcontrolador MSP430G2553. ... 121
Figura 3.50 Registro USCI_A0 bits de configuración. ... 122
Figura 3.51 Bits de configuración para parámetros de la comunicación UART ... 123
Figura 3.52 Bit para configurar la señal de reloj. ... 124
CAPÍTULO 4 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO Y COSTOS Figura 4.1 Diagrama del funcionamiento del programa para el microcontrolador. ... 129
Figura 4.2 Diagrama del funcionamiento del programa principal. ... 132
Figura 4.3 Diagrama de la configuración para el ADC. ... 134
Figura 4.4 Diagrama del envío de información. ... 135
Figura 4.5 Diagrama del envío de información ... 138
Figura 4.6 Diseño del dispositivo en PCB. ... 139
Figura 4.7 Tarjeta del dispositivo vista posterior. ... 140
Figura 4.8 Dispositivo completamente construido. ... 141
Figura 4.9 Señal obtenida por medio del dispositivo con filtro ... 142
Figura 4.10 Señal obtenida de un electrocardiografo convencional ... 142
INTRODUCCIÓN
En el cuerpo humano se generan diferentes señales bioeléctricas debido al funcionamiento de órganos tales como el cerebro, el corazón, los ojos y los músculos. Estas señales reciben nombres característicos dependiendo del órgano en el que se originan. Para los órganos mencionados, las señales reciben el nombre de electrocardiográficas (ECG), electroencefalografías (EEG), electrogastrográficas (EGG), electromiografías (EMG), electrooculográficas (EOG), electroretinográficas (ERG).
Las señales bioeléctricas son utilizadas principalmente en el diagnóstico médico para detectar patologías en los órganos que las producen, pero también pueden ser utilizadas, particularmente aquellas que son generadas de manera voluntaria, para controlar interfaces hombre – máquina. Las señales electromiografías (EMG) o también conocidas como mioeléctricas son señales eléctricas que se producen en los músculos cuando estos se contraen o distensionan.
Las señales bioeléctricas, a pesar de presentar niveles de voltaje pequeños, pueden medirse con un equipo adecuado, y esta información ser empleada para diagnosticar patologías.
Evolución de la adquisición de señales mioeléctricas.
La tecnología a través de los años ha permitido grandes descubrimientos no sólo en áreas de Ingeniería, sino también en ciencias aplicadas. Tal es el caso de la medicina, que se ha ayudado de la tecnología para la creación de dispositivos de monitoreo que facilitan el diagnóstico de afecciones en el ser humano; aparatos
como los Electrocardiógrafos (ECG), Electromiógrafos (EMG),
Las investigaciones relacionadas con la adquisición de señales emitidas por los músculos han sido utilizadas, entre otros fines con el de hacer funcionar diversos dispositivos como prótesis, electromiógrafos (sistema que se encarga de realizar un análisis de las señales emitidas por los músculos de un paciente con alguna deficiencia motora, con el propósito de estudiar su comportamiento) y electrocardiógrafos (sistema que muestra el registro gráfico de la actividad eléctrica que se genera en el corazón).
Si bien las señales del corazón no son (para muchos) consideradas como señales mioeléctricas, al considerarse el corazón un órgano y no un músculo, este trabajo de investigación pretende conjugar estas dos señales en un mismo aparato, con la finalidad de reducir el número de dispositivos usados para monitorear distintas partes del cuerpo.
El desarrollo de las tecnologías con respecto a la adquisición de estas señales han logrado desarrollos en medicina útiles, como la implementación de prótesis que se muevan al ritmo del cuerpo gracias a la respuesta que se genera por medio de estas señales, logrando prótesis de extremidades (como las piernas o brazos), implementación de prótesis oculares, que si bien aún no se consigue la visión en su totalidad por medio de estas prótesis, en pacientes con falta de algún órgano ocular, se ha logrado que se mueva igual que el ojo sano, esto con fines estéticos.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Después de analizar con detenimiento los antecedentes de los EMG y ECG, al igual que su evolución dentro y fuera del país, surge una duda: ¿Por qué si ya se han desarrollado varias investigaciones y trabajos de tesis entorno a estos dispositivos tan necesarios, aún en México siguen siendo tan caras las terapias mioeléctricas y los electrocardiogramas?
Bajo la investigación realizada tanto con la lectura de artículos, como de entrevistas con médicos especializados, se puede deducir que aún en México hay carencia de dispositivos tales como los EMG y ECG, hace difícil solventar la demanda de pacientes que los requieren, esto ocasiona que en centros de Salud donde se tiene el equipo para hacer estos estudios (tales como el ISSSTE o el IMSS), no se den abasto con los pocos equipos de monitoreo de señales tanto cardiacas como mioeléctricas, con que los pacientes duren largos lapsos de espera antes de poderse realizar su estudio, y en hospitales y laboratorios privados no son tan accesibles monetariamente hablando, lo cual hace que pacientes de escasos recursos no puedan acceder a este tipos de estudio con gran facilidad.
Cabe mencionar que la tendencia secular de la mortalidad por enfermedades crónicas en México, 1930-2030 puso en primer lugar la mortalidad por enfermedades del corazón, lo que hace aún más alarmante el que no se cuente con el equipo necesario, para monitorear de manera periódica el corazón de los pacientes.
pueda detectar si hay anomalías en el paciente, por medio de un diagnóstico no solo basado en síntomas del paciente, si no en el monitoreo de sus signos vitales.
JUSTIFICACIÓN.
El planteamiento del problema refleja una falta de desarrollo de dispositivos para el procesamiento de señales bioelectricas, que cumplan criterios como
portabilidad, bajo costo, y bajo consumo de energía. El desarrollo de este trabajo de investigación ofrece una opción útil para cubrir esta necesidad, empleando el uso de la electrónica como herramienta de aplicación para el análisis de señales bioelectricas.
ANTECEDENTES
A nivel Internacional
El desarrollo de la electromiografía y la electrocardiografía a nivel Internacional es muy importante porque de ahí remontan los inicios de las dos.
El primer material en el que aparece una señal mioeléctrica fue en el del trabajo de Francesco Redi en 1666. Redi descubrió un músculo altamente especializado en la Raya Eléctrica (pez) que generaba electricidad.
En 1773, Walsh pudo demostrar que el tejido muscular de la Raya Eléctrica tenía la capacidad de generar una chispa de electricidad.
En 1792, en una publicación titulada De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius escrita por Luigi Galvani, aparecía que el autor demostraba que la
electricidad podía iniciar contracciones musculares.
El físico italiano Carlo Matteucci mostró en 1842 como la corriente eléctrica acompaña a cada latido cardíaco (Phys, 1842).
En 1856 Rudolp von Koelliker y Heinrich Muller registraron un potencial de acción. Entre 1869-70 Alexander Muirhead del St Bartholomew´s Hospital de Londres, dice haber registrado un electrocardiograma pero esto es cuestionado.
En 1872 el físico francés Gabriel Lippmann inventó un electrómetro capilar. Consistía en un tubo fino de vidrio con una columna de mercurio bañada con ácido sulfúrico. El menisco del mercurio se movía con las variaciones de los potenciales eléctricos y esto fue observables a través del microscopio.
En 1876 Marey usó el electrómetro para registrar la actividad eléctrica de un corazón de rana abierto por disección y quien además introdujo el término de electromiografía. (EJ., 1876)
En 1878 El fisiólogo británico John Burden Sanderson y Frederick Page registraron la corriente eléctrica del corazón con un electrómetro capilar y mostraron que tiene dos fases (posteriormente denominadas QRS y T). (J., 1878)
En 1884 John Burden Sanderson y Frederick Page publicaron algunos de sus registros. (Burdon Sanderson J, 1884)
En 1887 el fisiólogo británico Augustus D. Waller del St. Mary´s Medical School de Londres publicaron su primer electrocardiograma humano. El registro fue realizado a Thomas Goswell, técnico de laboratorio. (AD., 1887)
En 1889 el fisiólogo holandés Willem Einthoven se encuentra a Waller y demostraron su técnica en el Primer Congreso Internacional de Fisiólogos.
En 1890 GJ Burch, de Oxford, inventó una corrección aritmética para las fluctuaciones (tardías) observadas en el electrómetro. Esto permitió que sean vistas las ondas reales del electrocardiograma pero sólo después de este tedioso cálculo. (GJ., 1890)
cada latido del corazón». Estas deflexiones fueron denominadas posteriormente
como “onda P, complejo QRS y onda T”. (Bayliss WM, 1891) . Por otro lado, en el trabajo titulado: On the electromotive phenomena of the mammalian heart. (Starling, 1892) fue demostrando un retraso de aproximadamente 0.13 segundos entre la estimulación atrial y la despolarización ventricular (posteriormente denominado intervalo PR). (Starling, 1891)
En 1893 Willem Einthoven introdujo el término electrocardiograma en un
encuentro de la Asociación Médica Holandesa. (Posteriormente reconoce Einthoven, que fue Waller el primero en usar el término). (W., 1893)
En 1895 Einthoven usando un electrómetro improvisado y una fórmula de corrección desarrollada independientemente de la de Burch, encontró cinco deflexiones a las cuáles él denominó con las letras P, Q, R, S y T. (W., Ueber die Form des menschlichen Electrocardiogramms., 1895)
En 1897 Clement Ader, un ingeniero eléctrico francés, registró un sistema de amplificación de señales denominado galvanómetro de hilo (cuerda) el cuál fue utilizado en líneas telegráficas bajo el mar. (C., 1897)
En 1901 Einthoven modificó el galvanómetro de cuerda para la consecución del electrocardiograma. Su galvanómetro pesa 600 libras. (W., 1901)
En 1902 Einthoven publicó el primer electrocardiograma recogido con un galvanómetro de cuerda. (W., 1902)
En 1903 Einthoven discutió la producción comercial de su galvanómetro de hilo con Max Edelmann de Munich y con Horace Darwin de la londinense Cambridge Scientific Instrument Company.
En 1906 Einthoven publicó por vez primera un texto con electrocardiogramas normales y patológicos registrados con un galvanómetro de hilo. Hipertrofia ventricular izquierda y derecha, hipertrofia auricular izquierda y derecha, onda U (por vez primera), complejos QRS mellados, latidos prematuros ventriculares, bigeminismo ventricular, fluter auricular y bloqueos cardíacos completos fueron descritos en el texto. (W., 1906)
En 1908 Edward Schafer de la Universidad de Edimburgo (Escocia) fue el primero en comprar un galvanómetro de hilo para uso clínico.
En 1909 Thomas Lewis del University College Hospital, de Londres compró uno y así también lo hace Alfred Cohn del Hospital Monte Sinai de Nueva York.
En 1910 Walter James de la Universidad de Columbia (Carolina del Sur) y Horatio Williams del colegio médico de la Universidad de Cornell (Nueva York) publicaron la primera revista americana de electrocardiografía. En ella describieron la hipertrofia ventricular, latidos ectópicos auriculares y ventriculares, la fibrilación auricular y ventricular. Los registros son enviados desde la sala del hospital hasta la habitación de electrocardiografía por un sistema de cables. Hay una gran foto de un paciente realizándosele un electrocardiograma con el título: “Uso de los electrodos”. (James WB, 1910)
En 1911 Thomas Lewis publicó un texto clásico: “Los mecanismos del latido
cardíaco” y fue dedicado a Willem Einthoven. (Lewis, 1911)
En 1912 Einthoven escribió a la Sociedad de Clínicos de Chelsea en Londres y describió un triángulo equilátero formado por las derivaciones estándar I, II y III; que posteriormente fue conocido como «triángulo de Einthoven». Esta fue la primera referencia en un artículo en habla inglesa del término EKG. (W., 1912 )
En 1920 Hubert Mann del Laboratorio Cardiográfico del Hospital Monte Sinai, describió la derivación de un monocardiograma denominado posteriormente como
Y mientras los avances logrados con el electrocardiógrafo crecían, en 1922
Gasser y Erlanger usaron un osciloscopio para mostrar las señales eléctricas de los músculos.
En 1924 Willem Einthoven ganó el premio Nobel por la invención del electrocardiógrafo.
En 1928 Ernstine y Levine informan del uso de tubos de vacío para amplificar el electrocardiograma ampliando así el mecanismo de recolección del galvanómetro de cuerda convencional. (Ernstine AC, 1928). En el mismo año la compañía de Frank Sanborn (más tarde adquirida por Hewlewtt-Packard) transformó su electrocardiógrafo de sobremesa en el primer electrocardiógrafo portátil, con un peso de 50 libras (23 kilos) y una potencia de batería autónoma de 6 voltios.
Entre 1930 y 1950 los científicos comenzaron a utilizar electrodos mejorados y más sofisticados para los estudios musculares.
En 1932 Charles Wolferth y Francis Wood describieron el uso clínico de las derivaciones precordiales. (Wolferth CC, 1932)
En 1938 La Sociedad Americana de Cardiología y la Sociedad Cardiológica de Gran Bretaña definieron las posiciones estándar y la colocación sobre el pecho de las derivaciones precordiales V1 a V6. La V representa el voltaje. (Barnes AR,
1938)
En 1942 Emanuel Goldberger aumenta el umbral de las derivaciones aVR, aVL y aVF, que junto a las 3 derivaciones de Einthoven (I, II y III) y a las 6 derivaciones precordiales completaron el electrocardiograma convencional de 12 derivaciones que actualmente se utiliza.
El uso clínico del EMG para el tratamiento de desórdenes más específicos comenzó en la década de los 60. Hardyck y sus colaboradores fueron los primeros (1966) practicante en usar el EMG.
No fue hasta mediados de los 80, cuando se integraron las técnicas de los electrodos, las cuales tenían un nivel tecnológico suficiente para la producción de instrumentación pequeña y de bajo peso; asimismo amplificadores que permitían avances en campos como los de la medicina o la biomecánica.
En el presente, hay un número grande de amplificadores que se comercializan. La electromiografía se ha venido utilizando ampliamente para el registro de músculos superficiales en protocolos clínicos o kinesiólogos donde los electrodos intramusculares son utilizados para investigar músculos profundos o localizar la actividad muscular.
A nivel Nacional
A nivel nacional se encuentra un gran número de innovaciones tecnológicas para hacer al EMG y ECG dispositivos mucho más adquiribles, así como más cómodos de utilizar. Tal es el caso del Instituto del Corazón de Querétaro, quien con ayuda del Laboratorio de Equipos Médicos del CIDESI (Centro de ingeniería y Desarrollo Industrial)1, realizaron un Electrocardiógrafo inalámbrico para monitoreo de múltiples pacientes, con el fin de poder trasladar a los pacientes de manera rápida sin el estorbo que implican los cables que van conectados a los electrodos. Con esto se logró monitorear a los pacientes sin que el traslado del mismo sea un problema. (El Universal.mx, 2012).
En el Instituto Politécnico Nacional
Las señales mioeléctricas y cardiacas dentro del Instituto Politécnico Nacional han tomado mucha importancia, tanto en el área de la medicina como en áreas de ingeniería y biomédica.
La realización de trabajos de investigación enfocados en estos temas, ha dado material para varios y diversos temas de tesis, con la finalidad de mejorar lo ya existente, así como aminorar los costos; ya que al ser México un país que no produce sus propios aparatos biomédicos (en este caso los EMG y los ECG), llegan a ser bastante costosos, al igual que sus refacciones.
Otros trabajos de investigación se enfocan más a implementar prótesis que puedan ser comandadas mediante señales eléctricas que nuestro mismo cuerpo (el sistema nervioso) envía, y de esta manera mover extremidades sintéticas o en
1
El Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI) fue fundado el 9 de marzo de 1984 por el
CONACYT y tiene por finalidad contribuir al desarrollo del sector productivo de México mediante proyectos tecnológicos de Investigación e Innovación, además de proveer diversos servicios tecnológicos
la realización de terapias diseñadas específicamente para una persona y su afección.
Sin embargo, la falta de recursos y el aún alto costo de los materiales utilizados para la realización de estos dispositivos, hacen imposible su producción en masa.
Uno de los trabajos más destacados del IPN en el tema de electrocardiógrafos, fue realizado por los científicos del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) Unidad Guadalajara, quienes desarrollaron un instrumento de monitoreo médico llamado Electrocardiógrafo Inteligente, el cual tiene la finalidad
de mantener bajo vigilancia médica en tiempo real y a distancia, a personas con afecciones cardiacas. (CINVESTAV, 2012)
Dentro de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco, se han hecho trabajos de investigación, como el presentado en el 2007 titulado “Fuente conmutada para un electrocardiógrafo” (Fernando & Fabiola, 2007) , o el trabajo de investigación titulado “Sistema informático de electrocardiografía” de alumnos de la ESCOM, por mencionar algunos.
C
APÍTULO 1
|
“Definición
CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN DE CONCEPTOS
1.1.
Señales bioeléctricas
El estudio de las señales bioeléctricas es tema central de la bioelectrónica en su vertiente más teórica. Toda señal bioeléctrica observable en la superficie del cuerpo (ECG, EMG, EEG, EGG, EOG y ERG) tiene su origen en la membrana de las células del sistema relacionado (células especializadas y células del miocardio en el corazón, neuronas en el cerebro, etc.) cuyo comportamiento es muy parecido al de ciertos componentes electrónicos, aunque bastante más complejo. En uno de sus aspectos básicos, la Bioelectrónica se ocupa de la interpretación retórica de la generación, propagación y captación exterior de dichas señales, utilizando conceptos similares a los que se ponen en juego en la Electrónica clásica (por ejemplo, el potencial intracelular de reposo se formula mediante ecuaciones idénticas a las que sirven para expresar la conducción en las redes cristalinas de los semiconductores, es posible asociar a la membrana celular circuitos equivalentes que recuerdan a los de algunos componentes electrónicos, las ecuaciones que se aplican al estudio de la propagación de señales a través de los nervios son paralelas a las utilizadas en la teoría de las líneas de transmisión.
Señal Magnitud Unidad Ancho de Banda (Hz) DC
ECG(electrocardiograma) 0.5 a 4 mV 0.01 a 250
EEG(electroencefalograma) 5 a 300 μV 150
EGG(electrogastrograma) 10 a 1000 μV 1
EMG(electrocarmiograma) 0.1 a 5 mV 10
EOG(electrooculograma) 50 a 3500 μV 50
ERG(electroretinograma) 0 a 900 μV 50
Tabla 1.1 Tipo de señales bioeléctricas: Magnitud y Ancho de Banda de cada una.
1.2.
Las señales cardiacas.
El corazón es el órgano principal del aparato circulatorio, es el propulsor de la sangre en el interior del organismo a través de un sistema cerrado de canales: los vasos sanguíneos.
Los vasos sanguíneos (arterias, capilares y venas) son conductos musculares elásticos que distribuyen y recogen la sangre de todos los rincones del cuerpo:
- La arteria es todo conducto que sale del corazón transportando sangre oxigenada. La parte inferior del corazón se divide en dos cavidades denominadas ventrículo derecho e izquierdo y son las encargadas de realizar esta función.
- La vena es todo conducto que llega al corazón transportando sangre. La parte superior del corazón, también divida en dos cavidades, denominadas, aurícula izquierda y derecha son las encargadas de esta función
A diferencia de la Aorta, la arteria pulmonar (otra arteria principal del cuerpo), transporta sangre con bajo contenido de oxígeno. En la circulación pulmonar la sangre pasa de la aurícula derecha al ventrículo derecho y regresa por la aurícula izquierda. Su función es el transporte de oxígeno. En la figura 1.1 se muestra más detalladamente las partes que conforman al corazón.
Figura 1.1 Representación gráfica de venas, aurículas, ventrículos y válvulas cardiacas.
1.2.1 Descripción de las partes fundamentales del corazón humano.
El corazón pesa entre 200 y 425 gramos y es un poco más grande que una mano cerrada. Cada día, el corazón late unas 100,000 veces aproximadamente bombeando unos 7.571 litros de sangre.
El tejido muscular está formado por células fibrosas estriadas, las cuales, a diferencia de las fibras musculares de los músculos voluntarios, se unen las unas a las otras por sus extremidades formando un parte única para poder tener una acción de contracción simultánea. Cada una de estas fibras está formada por fibras elementales, dispuestas longitudinalmente, que tienen la propiedad de alargarse y acortarse en su diámetro longitudinal. Estas fibras se unen para formar capas musculares, en sentido circular, en sentido longitudinal y oblicuo, respecto a la base del corazón, de manera que pueda ejercer mejor la función del miocardio, es decir, la expulsión de la sangre cardiaca hacia los vasos arteriales.
La base, o parte superior del corazón, continúa con los vasos sanguíneos arteriales y venosos (arteria aorta y pulmonar, venas pulmonares y cava), que contribuyen a mantenerlo y contenerlo. Esta parte está compuesta por dos hojas, el endocardio, que está adherido internamente al órgano y el epicardio que lo rodea completamente. Entre las dos hojas, que no están adheridas entre sí, existe una cavidad virtual que permite los libres movimientos de la contracción cardiaca.
Estos vasos sanguíneos están sujetos a través de una bolsa que rodea el corazón denominada Pericardio. Existen dos tipos:
- Pericardio fibroso: Es el más externo y está compuesto de tejido conjuntivo denso y rico en fibras de colágeno.
Figura 1.2 Paredes del corazón
Por otro lado, el ventrículo izquierdo es el encargado de impulsar la sangre a todo el organismo mientras que, el ventrículo derecho se limita a impulsar la sangre sólo a la circulación pulmonar. Por esta razón, el tejido muscular es más abundante en el ventrículo izquierdo que en el derecho. El espesor de las paredes de las aurículas es muy inferior al de las paredes de los ventrículos ya que la función de las paredes auriculares es solamente la de contener la sangre que proviene de las venas.
La aurícula derecha presenta, en su parte superior, dos orificios anchos, uno superior y otro inferior, correspondientes a la desembocadura de las respectivas venas cavas. Estos orificios no están provistos de válvulas. Según los antiguos anatomistas, la zona central de la aurícula se define como el núcleo del tejido miocárdico especial, del cual se origina el estímulo para la contracción cardiaca. La parte inferior de la aurícula derecha está, casi toda ella, ocupada por un orificio muy amplio, el cual es llamado auriculoventricular, sobre el cual está implantada la válvula tricúspide que controla el flujo sanguíneo entre la aurícula derecha y el ventrículo derecho.
sangre rica en oxígeno proveniente de los pulmones pase de la aurícula izquierda al ventrículo izquierdo.
Tanto la válvula tricúspide como la válvula mitral están formadas por pliegues del endocardio que se reflejan sobre un soporte de tejido fibroso llamado cúspide. Estos pliegues tienen un margen adherente al orificio auriculoventricular y un margen libre hacia el centro del orificio. Cuando las válvulas están abiertas, se adaptan a las paredes del orificio de forma que permiten pasar la sangre libremente desde las aurículas a los ventrículos. En cambio, cuando se produce la contracción ventricular, debido a la presión sistólica, las partes libres de los pliegues se alejan de las paredes y se cruzan entre sí por sus márgenes bloqueando el orificio e impidiendo la circulación de la sangre desde los ventrículos hacia las aurículas. Para facilitar la función y evitar que los pliegues se inclinen hacia la cavidad auricular, están las cuerdas tendinosas de los músculos papilares 2 que se ponen en tensión durante la contracción ventricular, como se
muestra en la figura 1.3
Figura 1.3 Partes del corazón que ayudan al bombeo de sangre.
2 Estructuras musculares con forma de cono que se encuentran situadas en el interior de los ventrículos
Los orificios arteriales están provistos de válvulas semilunares o sigmoides3. Con el reflujo de la sangre, al final de la sístole ventricular, estás válvulas se cierran bloqueando completamente los orificios arteriales y cortando la circulación de la sangre hacia la cavidad ventricular.
1.2.2 Funcionamiento básico y origen de los potenciales de acción.
El latido cardiaco es una acción de bombeo en dos fases que tarda aproximadamente un segundo.
Como se explicó anteriormente, a medida que se va acumulando la sangre en las aurículas, derecha e izquierda, se envía una señal eléctrica que estimula la contracción de las aurículas. Esta contracción impulsa la sangre a través de las válvulas auriculoventriculares (tricúspide y mitral) hacia las cavidades inferiores que se encuentran en reposo (ventrículos derecho e izquierdo). Esta fase de acción de bombeo es la denominada diástole4. En la figura 1.4 se muestra el bombeo diástole.
Figura 1.4 Fase de bombeo denominada Diástole.
3Medidas correspondientes a la frecuencia del pulso, la frecuencia respiratoria y la temperatura corporal.
4
La segunda fase de acción de bombeo comienza cuando los ventrículos están llenos de sangre. Las señales eléctricas generadas se propagan por una vía de conducción eléctrica a los ventrículos estimulando su contracción. Esta fase es denominada sístole5. En la figura 1.5 se muestra el bombeo sístole.
Figura 1.5 Fase de bombeo denominada Sístole.
Al cerrarse firmemente las válvulas auriculoventriculares (tricúspide y mitral) para impedir el retorno de sangre, se abren las válvulas sigmoides (pulmonar y aórtica). Al mismo tiempo que el ventrículo derecho impulsa sangre a los pulmones para oxigenarla, fluye sangre rica en oxígeno del ventrículo izquierdo al corazón y a otras partes del cuerpo.
Cuando la sangre pasa a la parte pulmonar y la aorta, los ventrículos se relajan y las válvulas pulmonar y aórtica se cierran. Al reducirse la presión en los ventrículos, se abren las válvulas tricúspide y mitral y el ciclo comienza otra vez. Esta serie de contracciones se repiten constantemente, aumentando en momentos de esfuerzo y disminuyendo en momentos de reposo. De esta manera, la circulación de la sangre sólo es posible desde el corazón hacia las arterias, nunca al revés.
5
Los golpes que se producen en la contracción de los ventrículos originan los latidos, que en un hombre oscilan entre 70 y 80 latidos por minuto y expulsan por cada ventrículo una cantidad de sangre entre 60 y 70 ml. Este volumen de sangre es inferior al volumen total de la cavidad y por lo tanto no se produce un vacío completo de la sangre que hay en los ventrículos. En el caso de existir una diferencia del volumen expulsado entre el ventrículo derecho y el ventrículo izquierdo, se tendrá que compensar en las sístoles ventriculares posteriores ya que en este caso, en poco tiempo la circulación se acumularía o en el circuito general o en el circuito pulmonar y produciría una situación incompatible para la vida.
En la figura 1.6 se muestran el conjunto de movimientos del corazón que se denomina ciclo cardíaco y como ya se ha visto se constituye diferentes fases, la diastólica o de aspiración y la sistólica o de expulsión.
Figura 1.6 a) Inicio de la diástole ventricular, b) Sístole auricular y c) Final de la diástole ventricular.
Los iones que originan esta actividad eléctrica son:
El sodio (Na)
El potasio (K)
El calcio (Ca)
El cloruro (Cl-1)
Los aniones intercelulares no difusibles.
Los iones difusibles más importantes son el sodio (Na+) y el potasio (K+).
Los iones intentan mantener un equilibrio de concentraciones y cargas entre el interior y el exterior de la célula y el hecho de que los iones de sodio no puedan entrar al interior de la célula, provoca las siguientes consecuencias:
- La concentración de iones de sodio en el interior de la célula será mucho menor que en el exterior. Por lo tanto, la célula quedará polarizada siendo más positiva en el exterior que en el interior.
- Para intentar equilibrar la carga interior y exterior, la concentración de iones positivos de potasio aumentará en el interior de la célula disminuyendo en el exterior.
El equilibrio de las cargas no se consigue debido al desequilibrio en la concentración de iones de potasio y se genera una diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la célula.
Cuando la célula se encuentra en reposo, la diferencia de concentraciones iónicas genera un potencial eléctrico negativo, llamado potencial de reposo, del orden de -80/-90 mV.
Una vez finalizada la entrada de iones de sodio a través de la membrana celular por causa de la excitación, ésta vuelve de forma espontánea a su impermeabilidad bloqueando nuevamente la entrada de iones de sodio. Además, existe un proceso activo conocido como una bomba de sodio y potasio. Este proceso expulsa los iones de sodio del interior de la célula y los reemplaza por los iones de potasio expulsados en la fase anterior.
En la figura 1.7 se muestra el proceso de repolarización de la célula, además aparece un período refractario en el que no es posible volver a excitar la célula.
Figura 1.7 Representación de la distribución iónica dentro y fuera de la célula cuando ésta se encuentra en reposo, cuando se excita de forma espontánea o a través de un estímulo eléctrico externo y durante el proceso de repolarización.
El periodo refractario de las células cardíacas se puede dividir en tres zonas:
Periodo refractario absoluto (PRA): Ningún estímulo independientemente de su intensidad puede excitar nuevamente la célula.
Periodo de excitabilidad supernormal (SN): Un estímulo débil ya es capaz de producir la excitación de la célula.
1.2.3 Actividad eléctrica.
La función cardiaca se lleva a cabo a través de la contracción y relajamiento ordenado de las células del corazón. Este orden se debe a la polarización y despolarización de las células cardiacas, lo cual se manifiesta en pulsos eléctricos que pueden ser percibidos por electrodos en zonas particulares del cuerpo, tal y como se ha explicado anteriormente.
La generación de la señal de ECG (Electrocardiograma) depende de cuatro procesos electrofisiológicos:
La formación del impulso eléctrico en el marcapasos principal del corazón.
La transmisión de estos impulsos a través de las fibras de conducción.
La activación o despolarización del miocardio.
La recuperación o repolarización del miocardio.
Cada uno de los potenciales de acción del corazón se genera en la parte superior de la aurícula derecha (también llamada atrio), en un punto llamado nodo sinusal o sino auricular (SA) que es conocido como el marcapasos del corazón.
Figura 1.8 a) Generación del potencial de acción en el nodo sino auricular, b) Contracción de las aurículas debida a la propagación del potencial de acción del nodo sino auricular hacia el nodo auriculoventricular, c) Distribución del potencial de acción en los ventrículos a través de las fibras ramificadas.
Después, esta excitación eléctrica, para despolarizar los ventrículos y poder producir la contracción, se reparte a través de la pared interventricular también conocida como Haz de His por sus dos ramas con unos filamentos que están en contacto con las fibras ventriculares.
Cuando acaba la transmisión de estos estímulos eléctricos a través de los filamentos, los ventrículos se relajan y comienzan el proceso de la recuperación ventricular y, justo después de esta recuperación, comienza la onda de repolarización que se produce por el efecto de volver cada uno de las células a su potencial de reposo de una forma independiente, como se muestra en la figura 1.9
La formación de estos estímulos eléctricos se realiza de forma automática por el tejido específico del miocardio, pero también puede ser modificada en el tiempo y en la forma de conducción a través de excitaciones nerviosas que pueden llegar a través del sistema nervioso central o del sistema nervioso vegetativo y que influyen, dependiendo de las necesidades particulares de cada momento.
La transmisión de estos estímulos eléctricos producen corrientes que son registradas en la señal de ECG. En la figura 1.10, se muestran estas señales producidas por los procesos anteriormente descritos
Figura 1.10 Descripción de la despolarización y repolarización sobre un ECG.
1.2.4 El ECG y sus características.
El electrocardiograma es el registro gráfico de las variaciones de potencial eléctrico de la actividad del corazón (fibras miocárdicas), en un tiempo determinado. Estas variaciones se captan con los electrodos a nivel de la superficie de la piel y a través de los conductores llegan al electrocardiógrafo que mide los potenciales de acción del corazón y lo registra.
A medida que este potencial eléctrico se desplaza a través del corazón, va excitando las células que se encuentran a lo largo de su trayectoria.
Estas células tienen características diferentes según la región del corazón donde se encuentren y esto provoca que cuando se despolaricen se generen potenciales de acción de diferentes formas.
Si se realiza la correlación de todos estos potenciales generados por las diferentes células excitadas durante la transmisión del potencial de acción desde la aurícula hacia los ventrículos aparece el electrocardiograma (ECG) mostrado en la figura 1.11
Figura 1.11 Diferentes intervalos de tiempo importantes en el diagnóstico cardíaco.
La forma característica de la señal ECG corresponde a los diferentes estados que se producen durante un ciclo cardíaco:
Derivación Bipolar DII y Derivación precordial V1, su amplitud con un máximo de 3 mV (3 mm) y una duración máxima de 0,10 seg (2,5 mm), en menores 12 meses 0,08 seg (2 mm), negativa en aVR y puede ser bifásica en V1.
El complejo QRS: Es la combinación de dos estados que se producen casi simultáneamente y que son la repolarización de las aurículas y la despolarización de los ventrículos para expulsar la sangre hacia las arterias de salida. Su morfología es el reflejo del equilibrio de las fuerzas eléctricas ventriculares derechas frente a las izquierdas, por lo tanto varía con la edad. La máxima longitud es 0,08 seg (2 mm) en niños y 0,10 seg (2,5 mm) en adultos. Onda R primera onda positiva del complejo, onda S primera onda negativa tras la onda R. Si aparecen más se denominaran R’ o S’.
La onda T: Corresponde a la repolarización ventricular. Su amplitud se mide en precordiales izquierdas:
En V4: < 1 año 11 mm > 1 año: 14 mm.
En V6: < 1 año 7 mm > 1 año: 9 mm
Tras el nacimiento hasta 4-7 días la onda T es positiva en todas las precordiales, posteriormente se negativizan logrando llegar hasta 4 Volts. En la adolescencia suelen positivarse y después de la adolescencia disminuyen. Siguen la misma dirección que el QRS, el eje de la onda T debe estar entre 0-90°, el ángulo entre el eje del QRS y de la onda T suele mantenerse menor de 60°, máximo 90°; su aumento indica alteraciones de la re-polarización.
que corresponde a la despolarización de las fibras de Purkinje o para otros autores a la despolarización del tabique basal.
Además de la forma de la señal de la ECG, para poder realizar un diagnóstico electrocardiográfico, es muy importante la duración entre las ondas que se producen ya que dan información sobre la coordinación entre los diferentes eventos que suceden durante un ciclo cardiaco como se muestra en la figura 1.12
Figura 1.12 Señales del ECG. Correlación de las múltiples señales que se generan en el corazón, debido a la despolarización de los diferentes tipos de células con tal de generar la ECG. La forma de la ECG es aproximadamente
la que se encuentra en un corazón saludable
El segmento PR, en el que no se detecta actividad eléctrica, se mide desde el final de la onda P hasta el inicio del conjunto QRS y se define como línea isoeléctrica.
El tiempo de la despolarización ventricular se mide desde el inicio de la onda Q hasta el final de la onda S.
Desde el inicio de la onda Q hasta el final de la onda T se define el intervalo QT que refleja el tiempo total del proceso de despolarización y repolarización ventricular, mientras que el segmento ST representa el final de la despolarización ventricular y el inicio de su repolarización.
Finalmente, para determinar el ritmo de la frecuencia cardiaca, se mide el tiempo entre dos ondas R consecutivas y se divide por 60 para tener el valor de los latidos que se producen en un minuto.
El valor de la frecuencia cardiaca con un ritmo ventricular regular normalmente se puede medir, varía entre un margen de valores comprendido desde 60 a 100 latidos por minuto aunque esto puede variar en función del estado en qué se encuentre el organismo.
A frecuencias bajas y en personas normales, los segmentos PR y TP muestran claramente la línea isoeléctrica, la que se considera como basal para medir la amplitud de las ondas o deflexiones. Con frecuencias rápidas, el segmento TP desaparece ya que la onda T generalmente se fusiona con la onda P.
Los valores normales de algunos componentes de la ECG en adultos son:
- Onda P: < 120 ms
1.3 Señales mioeléctricas
1
.3.1 Definición de la electromiografía
Figura 1.13 Laboratorio de electrofisiología de Herbert Gasser.
Posteriormente la electromiografía se convirtió en un estudio convencional al implementar los electrodos concéntricos de Adrian y Bronk (electrones de aguja). Por medio de estos electrodos se logró ayudar a la recuperación rápida de las personas, ya que con estos dispositivos se podía observar con mayor facilidad si el paciente presentaba alguna deficiencia en sus fibras musculares.
El estudio de las señales mioeléctricas ha hecho posible detectar diferentes tipos de patologías que dañan a las células musculares. Estas patologías provocan en el paciente la debilitación de los músculos y hasta la pérdida total de la movilidad, principalmente en las extremidades inferiores y superiores. Hoy en día existen diversos y modernos aparatos que por medio de impulsos eléctricos de baja frecuencia estimulan las fibras musculares provocando que estos mejoren su fuerza, volumen y resistencia.
señales que emiten los músculos de las extremidades, teniendo como resultado una prótesis capaz de realizar los mismos movimientos de un brazo o pierna real. La electromiografía del 2010 tuvo una gran aportación médica con la invención del aparato que permite predecir antes de las 34 semanas de gestación si la mujer tendrá un embarazo prematuro. Este aparato mide la EMG uterina distinguiendo de esta manera un parto normal en comparación a un parto prematuro. Los aparatos basados en señales mioeléctricas no sólo se limitan para fines médicos si no que también se ha estado implementado el uso de las señales con el propósito de crear juguetes y video juegos que puedan ser controlados por medio de la actividad bioeléctrica de la musculatura un ejemplo de esto es un video juego de Microsoft® para controlar notas musicales sólo moviendo los dedos como si se tocara una guitarra, en la figura 1.14 se muestra una de las aplicaciones de la electromiografía.
1.3.2 Funcionamiento básico de miembros superiores
El cuerpo humano está compuesto por diferentes tipos de sistemas que realizan diferentes e importantes funciones. El sistema esquelético es uno de los componentes que ayudan a que nuestro cuerpo tenga movimiento. Sin embargo, los huesos por sí solos no pueden mover nuestro cuerpo, estos necesitan de otros elementos como los son las articulaciones y aun más importante los músculos. Los músculos esqueléticos son los que ayudan a que los seres vivos puedan correr, bailar, brincar, hablar, en fin una diversidad de actividades físicas. La participación de los músculos en la vida de los humanos es de gran relevancia. Existen en el cuerpo más de 600 músculos esqueléticos. En conjunto, constituyen el 40-50% del peso corporal, y junto con el andamiaje del esqueleto, establecen también la forma y contornos de nuestro cuerpo. Los músculos están compuestos de tejido conjuntivo y nervioso. Varían en tamaño, forma y en la disposición de sus fibras. Los músculos se presentan en diferentes dimensiones, los hay largos y cortos, anchos y estrechos, triangulares, cuadrados, y otros con forma irregular, también unos son delgados y otros abultados. La mayoría de los músculos están fijos a los huesos en dos puntos, uno de ellos se llama origen y el otro punto inserción. Al momento de una contracción, el hueso donde se encuentra el origen no genera movimiento, en cambio el hueso donde se encuentra el punto de inserción realiza un movimiento para realizar la contracción.
Los músculos esqueléticos que se muestran en la figura 1.15 trabajan en conjunto para producir el movimiento, los músculos se coordinan con el fin de crear un determinado movimiento. Existen diferentes términos para describir las acciones que realizan los músculos para producir un determinado movimiento, estas se nombran a continuación:
- Motor primario: Describe un músculo o grupo de músculos que realizan un movimiento concreto.
- Antagonista: Son los músculos que al contraerse se oponen a los músculos primarios. Los órganos antagonistas se encuentran relajados hasta que el motor primario se contrae para producir un movimiento.
- Sinérgicos: Estos músculos se contraen al mismo tiempo que los primarios, facilitando las acciones de este último.
- Músculos fijadores: Funcionan como estabilizadores de las articulaciones. Ayudan a mantener postura o equilibrio en el momento de la contracción y actúan principalmente sobre las articulaciones de las piernas.
Como se mencionó anteriormente el cuerpo humano está compuesto por una gran cantidad de músculos. Sin embargo, para el propósito de este proyecto se estudiarán los músculos que mueven el antebrazo ya que con estos se realizará el control del sistema.
Los músculos que mueven al antebrazo, (figura.1.16) se clasifican en 4:
- Músculos flexores
- Músculos extensores
- Músculos pronadores
- Músculos supinadores.
Los músculos flexores son los que a flexionarlos reducen el ángulo entre los huesos donde se encuentran su punto de origen y el punto de inserción. Los músculos flexores del brazo son: el Bíceps braquial, Braquial anterior, Supinador largo. Los músculos pronadores son: pronador redondo y el 14 pronador cuadrado. El brazo sólo cuenta con un músculo extensor y otro supinador, llamados tríceps braquial y supinador corto respectivamente. En este proyecto el bíceps juega el papel principal, ya que como es un músculo de mayor volumen se decidió tomar el potencial de acción generador de este órgano, con el fin de obtener impulsos eléctricos de mayor voltaje.
1.3.3 Generación de señales mioeléctricas
El cuerpo humano emite diversas señales en diferentes órganos de nuestro sistema, entre estas señales se encuentran las producidas por el cerebro, los ojos, el corazón y los músculos. A las señales producidas por los órganos se les denomina señales bioeléctricas, pero cada una de estas señales cuenta con un nombre propio dependiendo del órgano por el cual son producidas.
Figura 1.17 Neurona motora.
Un PUM es producido al excitar el músculo por medio de una contracción, debido a un proceso biológico. Las neuronas motoras contienen una membrana axónica que contiene canales que se abren al momento de la contracción y relajación de músculo. El axón contiene en su interior una concentración de iones de potasio (K+), proteínas, sulfatos, fosfatos e iones grandes de Cl- que le dan un carácter negativo al interior de la célula. Por otra parte el exterior de la célula tiene una concentración de iones de Na+ esto significa que la célula es mayormente positiva en su exterior en el estado de reposo (relajación del músculo).
periodo puede variar según la magnitud del estímulo que produjo el PUM y del músculo. Al momento de la repolarización los canales de sodio se cierran y los canales de potasio se abren. Esto hace que los iones de sodio salgan del interior del axón dejando nuevamente que el interior del axón se encuentre negativamente cargado. En este momento el impulso eléctrico pasa de los +mV a los –mV nuevamente.
Figura 1.18 Etapas del potencial de acción.
Despolarización lenta (-70 mV hasta -55mV).
Despolarización rápida (-55mV hasta +35mV).
Repolarización rápida (+35mV hasta 2/3 del descenso).
Repolarización lenta (hasta -70mV).
Figura 1.19 Procesos de despolarización y repolarización en la neurona muscular.
El periodo total de un potencial evocado está dividido en dos sub periodos. El periodo refractario absoluto y el periodo refractario relativo
acción de los músculos o señales mioeléctricas varían en amplitud según el tamaño del músculo, además tiene un periodo mayor en el hombre que en la mujer. Estas señales se encuentran en un rango de voltaje que va aproximadamente desde 1mV hasta 10mV, pero como se mencionó anteriormente este voltaje puede variar. Estas señales se encuentran dentro de un rango de frecuencias que va desde 1Hz a 1kHz, pero es dentro del rango de 50 a 350 Hz donde la amplitud de las señales es más fuerte.
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APÍTULO 2
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Diseño y
simulación del
CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL DISPOSITIVO
2.1 Introducción al diseño del dispositivo
Este capítulo aborda el diseño y simulación de un dispositivo electrónico capaz de percibir, adquirir, manipular y procesar señales bioeléctricas, con el objetivo de su análisis por medio de una interface gráfica. También, se presentan las herramientas de diseño electrónico así como las herramientas de diseño computacional necesarias para el desarrollo del código.
En la primera parte del capítulo, se detallará el diseño electrónico del dispositivo, en el capítulo 4 se detalla su construcción y su implementación como instrumento de medición. Considerando las etapas necesarias para procesar una señal de voltaje muy pequeño. Haciendo uso de la teoría de electrónica lineal, y en específico las funciones que pueden desempeñar los amplificadores operacionales con sus respectivas polarizaciones, se exponen las configuraciones de los amplificadores operacionales considerados para el mejor desempeño del dispositivo, así como las configuraciones de los amplificadores operaciones finalmente utilizadas.
Conforme al diseño y construcción de un dispositivo de medición capaz de ofrecer cualidades útiles en la instrumentación médica, se diseñó un dispositivo con diferentes configuraciones, con esto se buscó encontrar una configuración con las mejores capacidades y el mejor desempeño, considerando el ahorro de espacio y energía. Con lo anteriormente detallado, se obtuvieron dos simulaciones de dispositivos electrónicos, las cuales pasaron por pruebas de funcionamiento y desempeño.
computadora para presentar datos de forma gráfica. Se presenta el diseño de un dispositivo que es capaz de adquirir, procesar y gestionar señales bioeléctricas, tomando en cuenta las características antes mencionadas, esto es considerando la portabilidad, el bajo consumo de energía, el fácil traslado, y su bajo costo de fabricación.
Asimismo este capítulo resuelve el diseño del dispositivo capaz de hacer lo anteriormente expuesto, la razón por la cual se simularon dos dispositivos, es porque cada uno de ellos adquiere la señal y la adecua de forma diferente, obteniendo como resultado las señales similares en diferentes etapas de adecuación. Es por ello que se construyó un dispositivo, con buena adecuación de señal y buena práctica de la electrónica para procesarla y se propone para futuros trabajos un segundo diseño, con diferente adecuación de señal y con buenas cualidades que ofrecer como bajo consumo de energía y menor espacio..
2.2 Bloques de la interface entre paciente - máquina.
Figura 2.1 Diagrama a bloques de comunicación del dispositivo hacia la computadora.
2.3 Bloques del diseño electrónico del dispositivo
El diseño electrónico del dispositivo está formado por cuatro diferentes bloques. El primer bloque se compone de los transductores de energía. El segundo bloque, es la adecuación de las señales por medio de amplificadores operacionales en diferentes configuraciones. El tercer bloque comprende el procesamiento de la señal para su transmisión de forma digital y su posterior presentación. El cuarto bloque es la presentación de la señal por medio de la PC. Hay que mencionar que cada bloque contiene etapas, las cuales tiene una función cooperativa, para hacer de la señal bioeléctrica un elemento útil, para su análisis. En la figura 2.2 se muestran de forma general, los bloques del diseño electrónico, y su cambio respectivo en la señal bioeléctrica medida.
Figura 2.2 Bloques de diseño electrónico, y su cambio respectivo en la señal bioeléctrica medica.
2.4 Diseño para la adquisición de señales bioelectricas.
configuración del amplificador, y esta es un filtro rechaza banda o bien conocido como filtro Nocht, esta configuración del amplificador como filtro de señal, se utilizó para discriminar el ruido proveniente de la señal de corriente alterna de las fuentes de alimentación o inducida por alguna otra fuente de esta frecuencia, este filtro buscó rechazar el intervalo de frecuencia que comprende frecuencias entre 50Hz y 60Hz. En la figura 2.3 se muestran todas las etapas para el acondicionamiento de manera ordenada, del diseño electrónico del dispositivo.
2.5 Simulación del ECG
Para la simulación del dispositivo se utilizó un programa de National Instruments llamado Multisim® y se trabajó con la última versión libre 11g, este programa de cómputo permite hacer simulaciones a circuitos que se pueden desarrollar en un entorno gráfico. En este proyecto de investigación se hicieron dos simulaciones por separado, uno con el filtro Nocht a 60 hz y una segunda simulación sin el filtro.
2.5.1 Simulación del dispositivo sin filtro Nocht.
Figura 2.4 Circuito con amplificador operacional, filtro Nocht e inversor.
En esta etapa se pasó de tener unos pequeños milivolts a algunos volts de amplitud. Sin embargo, existen varios problemas adjuntos con esta etapa, uno de ellos es el ruido debido a que cuando se amplifica no se tiene preferencia por la señal cardiaca sino que también son amplificadas otras señales provenientes de agentes externos como ruido EMI (Interferencia Electromagnética) proveniente de las líneas eléctricas u otros equipos electrónicos, asimismo también se tiene el ruido ocasionados por las telecomunicaciones inalámbricas, el cual interfiere completamente con la calidad de esta señal.
Como se muestra el circuito en Multisim® en donde exhibe a la señal ECG a la que se le agregó un pequeño ruido de 60 Hz.
Figura 2.5 Circuito con amplificador operacional e inversor.
2.5.2 Simulación del dispositivo con filtro Nocht.
La simulación del dispositivo se realizó por medio de un generador de funciones que desarrolla este tipo de señales. Multisim® dispone de una aplicación que da la señal ECG (Electrocardiograma), esto permitió ver la eficiencia del filtro rechaza banda de 60 Hz.
Como se muestra en la figura 2.7 fue usado para la simulación un generador de señal cardiaca.
En la figura 2.8 se muestra como se mezcla la señal ECG una señal de 60Hz para simular el ruido, el resultado de esta mezcla fue la señal de entrada al filtro.
Figura 2.7 Señal cardiaca con señal de 60 hz
Este ruido debe ser eliminado mediante la aplicación de un filtro NOTCH configurado a 60Hz como se muestra en la figura 2.8.
Se diseñó un filtro con los valores obtenidos de la resistencia y el valor de la capacitancia, y se hizo la simulación. En la figura 2.9 se muestra el circuito del filtro Nocht
Figura 2.9 Circuito final del filtro Nocht
Como se puede observar, la herramienta que provee Multisim® para medir la respuesta en frecuencia del circuito, hace notar la decaída de amplitud de la señal exactamente en la frecuencia cercana a los 60 Hz. Esto es por el filtro que se añadió al circuito y está actuando para filtrar la frecuencia de 60Hz que anteriormente se sumó a la señal de ECG.
Como resultado se obtuvo una señal filtrada un una frecuencia de 60 Hz, aunque se puede notar que hay una señal con amplitud muy pequeña dentro la señal bioeléctrica simulada.
amplificar la señal con un factor de amplificación variable para su ajuste de ganancia, la segunda etapa es la del procesamiento de la señal, la cual se implementa por un microcontrolador.
