Este documento describe el diseño de un sistema para adquirir la señal de electrocardiograma (ECG). La señal de ECG es débil (aproximadamente 1 mV) y contiene frecuencias entre 0 Hz y 250 Hz. El sistema incluye electrodos adhesivos, un amplificador instrumental diferencial con ganancia de 50, filtros paso alto y paso bajo, un amplificador no inversor con ganancia de 20, y un filtro notch a 50 Hz. El documento también discute problemas potenciales como interferencias de la red eléctrica y riesgos para la segur

1. PRÁCTICA 1
AMPLIFICACIÓN DE POTENCIALES
EXTRACELULARES
-ECG-
DISEÑO DE UN SISTEMA DE
ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL DE ECG
Marc Tena
Javier Muñoz

2. Sucinta introducción teórica de qué se quiere conseguir y la problemática.
La práctica que vamos a realizar trata sobre cómo diseñar un amplificador
de la señal de ECG (nos muestra la actividad eléctrica del corazón), qué
cosas hay que tener en cuenta y cómo solucionarlas. Se propone un
montaje práctico para poder medirnos el ECG entre los compañeros y
comprobar que nuestro circuito funciona.
Primero que nada es necesario conocer las características de la señal a
medir, así como qué tipo de sensores (en este caso electrodos adhesivos)
son adecuados y las características con las que se quiere visualizar la señal
y por lo tanto quedando definido así el sistema de amplificación. Hay que
contemplar las posibles señales interferentes, y en este caso en especial,
es de gran importancia estudiar la seguridad del paciente para que
nuestro equipo de medida no pueda afectar a su salud (riesgos eléctricos).
La señal de ECG (ElectroCardioGrama) es la señal extracelular generada
por las fibras de conducción y musculares del corazón. Los niveles más
comunes son entorno a 1 mV de amplitud y con ancho de banda desde
D.C. hasta 250 Hz aproximadamente (Los rangos varían bastante según el
autor).
Figura 1: Ciclo completo de un ECG normal
La onda P. Corresponde a la contracción de las aurículas.
El complejo QRS. Es la contracción de los ventrículos.
La onda T. La relajación de los ventrículos.

3. En cuanto a los sensores empleados son electrodos metálicos adhesivos
con un poco de gel que facilita que la interface electrodo piel sea más
uniforme además de reducir la impedancia de la piel. No es necesario
utilizar técnicas invasivas como serían electrodos de aguja que además
son incómodos para el paciente.
Figura 2: Posiciones de los electrodos para diferentes derivaciones del ECG
Figura 3: Electrodos para ECG

4. Habría que tener también en cuenta que los electrodos presentan
variación de la impedancia en función de la frecuencia.
Figura 4: Variación Z con f
Pasamos a ver el sistema de amplificación a montar:
La señal a registrar es diferencial, por lo que necesitaremos un
amplificador de instrumentación, ya que necesitamos una elevada
impedancia de entrada para evitar deformaciones del ECG y prevenir el
efecto de filtrado que se puede dar por los electrodos.
Figura 5: Esquema general del amplificador
Se puede apreciar una etapa de entrada con una ganancia de 50, un
filtrado paso alto para eliminar la DC, una amplificación por 20, para
obtener una señal final de aprox. 1V a la salida, un filtrado paso bajo para
eliminar el espectro que no nos es de interés y un filtro Notch para
eliminar la frecuencia de red.

5. Etapa de entrada:
Figura 6: Etapa de entrada
Se puede apreciar que en esta etapa se coloca una ganancia de 50, esto se
hace para no saturar los amplificadores con la tensión DC que introduce
los electrodos, se ha supuesto como es habitual que sea de 0,2 V.
Para tener un buen CMRR usar OP27 para los 2 A.O. de entrada. Cabría
dedicar un especial estudio a un buen ajuste del CMRR.
Comentar también que se venden C.I. que ya llevan todo integrado que
nos garantizan cierto CMRR elevado, dejando una R externa para el ajuste
de la ganancia.
Notar que las alimentaciones son simétricas de 15V en todo el circuito
Hay bastantes más cuestiones a tener en cuenta, pero por no alargar la
memoria innecesariamente y aunque se hayan tenido en cuenta, no se
van a nombrar.

6. Filtro paso alto con
Figura 7: FPBj
Amplificador no inversor con G = 20
Figura 8: AO no inversor y su FDT

7. Filtro paso bajo de Butterworth
Figura 9: FPBj
Filtro notch a 50 Hz en doble T
Figura 10: Esquema NOTCH doble T

8. POR UN ERROR CARECEMOS DE LAS IMÁGENES DEL CIRCUITO MONTADO
EN LA PLACA DE PRUEBAS, AUNQUE SÍ QUE TENEMOS CAPTURAS DE LA
SEÑAL.
La medida del ECG en prácticas se hizo sobre la derivación AVF.
Figura 11: Señal de ECG en el osciloscopio
Uno de los problemas que nos surgió fue el que para reducir la tensión de
interferencia de red tuvimos que conectar la mesa de trabajo a la tierra,
reduciendo así bastante el acoplo capacitivo de la red.
3r Electrodo Eliminación CTierra (Reducir interferencias) y facilita el
camino de cierre de corrientes de polarización a la entrada del
A.O.Instrumentación. Se reduce pues la tensión en modo común a la que
se somete al paciente, aunque se pone en riesgo su seguridad pues se está
facilitando un camino de impedancia muy baja hasta tierra, que en caso
de que el paciente entrara en contacto con la red eléctrica podría resultar
mortal. La realimentación activa en parte intenta paliar este efecto
limitando la corriente que puede pasar a través de este tercer electrodo.

9. Realimentación Activa Nos ha faltado tiempo para poder montarla,
pero se va a explicar brevemente su función. Gracias a ella conseguimos
reducir la impedancia equivalente del tercer electrodo (aprox. por un
factor igual al de la ganancia) sin afectar a la seguridad del paciente (R0
limita la corriente que lo atraviesa), así como disminuye la tensión en
modo común aproximadamente en la misma medida que la impedancia.
Es el último recurso al que podemos recurrir para reducir la indeseada
tensión en modo común tras haber hecho el CMRR lo más grande posible
con el A.Diferencial y colocar Guardia Activa para evitar que nos afecte el
acoplamiento del a red en los cables desde el paciente hasta el equipo de
medida.
Nombrar también que un trenzado conveniente de los cables ayudaría a
reducir el acoplamiento inductivo, ya que reducimos el área en la que se
puede dar la inducción.
Figura 12: Esquema realim. Activa
Notar que hay que tener en cuenta que la ganancia no puede ser muy alta,
que esto sería lo ideal para poder reducir mucho la pero caeríamos
en el fallo de saturar el AO de realimentación, que equivaldría a conectar
el electrodo directamente a masa, perdiendo así las ventajas que este nos
proporciona.

10. Conclusión:
Hemos conseguido con un montaje sencillo la obtención “casera” de un
registro de ECG. Aunque para un montaje de equipo más profesional
habría que tener muchas más cosas en consideración, desde utilizar
amplificadores aislados para proteger a nuestro equipo de medida hasta
intentar proteger al paciente debido a los posibles riesgos eléctricos que
puede padecer debido a estar conectado al equipo de medida.
Por lo tanto, para hacer un buen equipo, completo y con una buena
calidad de señal hace falta invertir tiempo en el diseño y en los aspectos
teóricos para considerar todos los detalles i fuentes de problemas.