Este documento describe el diseño y simulación de un medidor digital de presión arterial y ritmo cardíaco. Propone utilizar electrodos para medir la señal electrocardiográfica, amplificarla y filtrarla para luego usar un detector de nivel que genere pulsos que serán procesados por un microcontrolador para mostrar la frecuencia cardíaca. También plantea usar un manguito inflable con un sensor de presión para medir la presión arterial y convertirla a valores de voltaje para el microcontrolador.

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN
UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA
INSTITUTO DE TECNOLOGÍA AGRO-INDUSTRIAL
PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN EN ELECTRÓNICA
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN MEDIDOR DIGITAL DE
PRESIÓN ARTERIAL Y RITMO CARDÍACO
Integrantes:
Restan B. Robert A. (C.I. Nº 27.724.974)
SKD4A
San Cristóbal, octubre de 2021

2. INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia se ha buscado determinar y comparar distintas
magnitudes que se encuentran en la naturaleza. A través de distintos
dispositivos rudimentarios la medición ha comenzado a tomar fuerza tanto en
la vida cotidiana como en la experimentación. La medición ha sido de gran
importancia en el campo de la química y en distintos campos ya que
permiten reunir información y organizarla para así obtener conclusiones.
Un instrumento de medición permite conocer propiedades que no son
visibles al ojo humano, por lo que es necesario utilizar distintos métodos para
poder convertir esa información en datos legibles por el ser humano. Estos
datos son valiosos para la medicina, que hace uso de ellos para diagnosticar
y analizar fenómenos biológicos que puedan afectar la salud. Es por lo tanto
que se plantea el diseño y la simulación de un medidor digital de presión
arterial y ritmo cardíaco.

3. MEDICIÓN DE LA FRECUENCIA CARDÍACA
La frecuencia cardíaca es el número de veces que el corazón se
contrae para bombear sangre a todo el organismo y así funcionar
correctamente. Esta suele ser expresada en palpitaciones por minuto (PPM)
con valores de reposo entre 70 y 80 latidos por minuto hasta una frecuencia
cardíaca máxima de aproximadamente 190 a 205 latidos por minuto. Para la
medición de la frecuencia cardíaca de manera manual se lleva a cabo la
aplicación de una presión leve en puntos específicos del cuerpo, como la
muñeca o el cuello, para luego llevar la cuenta de cuantas palpitaciones
ocurren en un rango determinado de tiempo no mayor a un minuto y así
obtener la frecuencia cardíaca aproximada.
Para el diseño del instrumento de medición de la frecuencia cardíaca
se ha tomado en cuenta los métodos comunes por los cuales se puede
obtener la misma. Es entonces que considerando este método se ha visto
necesario poder detectar estas palpitaciones de manera automática para así
poder procesarlas y mostrarlas en un dispositivo digital. Una forma de
realizar esto es mediante el uso de electrodos, los cuales son dispositivos
con una placa metálica o una aguja pequeña que conduce la electricidad
desde un instrumento hasta un paciente detectando diferencias de potencial
en los músculos, el cerebro, el corazón, la piel u otras partes del cuerpo
hasta un dispositivo que sea capaz de acondicionar estas variaciones de
voltaje.

4. En este caso se hará uso de electrodos conectados en los hombros
del paciente para la adquisición de señales electrocardiográficas (ECG) que
luego serán tratadas para obtener la información deseada. Una señal
electrocardiográfica es la representación eléctrica de la actividad cardíaca del
paciente; Estas señales suelen ser graficadas comúnmente de la siguiente
forma:
Para la medición de la frecuencia cardiaca es de interes conocer la
frecuencia en el complejo QRS ocurre en un minuto. Este complejo esta
formado por un conjunto de ondas que grafican la despolarización de los
ventrículos que representa el impulso cardíaco. Conociendo esto se puede

5. utilizar el punto mas positivo del complejo QRS para determinar la frecuencia
cardíaca.
Acondicionamiento de la señal
Una señal electrocardiográfica suele ser de voltajes en el rango de los
milivolt (mV), esto hace que la recolección de esta señal no sea posible por
el dispositivo a diseñar debido a sus muy bajos valores de tensión, por lo que
se requiere de un circuito que permita modificar esta señal de tal forma que
pueda ser captada por el dispositivo a diseñar. Para esto se lleva a la señal
por un conjunto de etapas que se muestran a continuación:
Amplificador de instrumentación
El amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de
amplificadores operacionales que resta sus dos entradas multiplicadas por
un factor de ganancia. Este tipo de amplificador es utilizado para minimizar
los efectos del ruido que pueden provocar errores de medición y también por
su estabilidad lineal respecto a su ganancia. La configuración de un
amplificador de instrumentación es la siguiente:

6. Para determinar los valores de las resistencias se utiliza la función de
transferencia:
Vo=(V 1−V 2)(
R2
R1
)(
1+2R5
RG
)
En la cual se considera que R2 = R4 = R1 = R3 = R5 = R6 = R para
así llegar obtener:
Vo=(V 1−V 2)(
1+2 R
RG
)
Lo que permitirá controlar la ganancia del amplificador de
instrumentación con solo una resistencia.

7. Para hallar la resistencia de ganancia RG se utiliza la presente tabla:
Como la señal recibida esta en el orden de los milivolt se utiliza una
resistencia de 5,556kΩ, que permitirá amplificar dicha señal 10 veces su
tamaño original. Para lograr esta ganancia se busca un valor de resistencia
para R que multiplicado dos veces y luego divido entre RG sea igual a 10,
para lo cual se determina que R = 25kΩ obteniendo finalmente la formula:
Vo=(V 1−V 2)(1+
50k Ω
RG
)
Gracias a la amplificación generada por el amplificador de
instrumentación se ha podido obtener una señal electrocardiográfica con la
ganancia deseada para ser procesada por la siguiente etapa:

8. Filtro pasa banda
Como se puede observar, esta señal no es completamente estable
variando de amplitud en cada punto, ya que es afectada por otras señales
que emite el cuerpo causadas por el movimiento ademas de interferencias
externas que entorpecen la claridad de la señal a utilizar. Es así que la
siguiente etapa a utilizar es un filtro paso banda, que permita disminuir la
ganancia a niveles cercanos a cero de frecuencias indeseadas tales como el
ruido de baja frecuencia generado por luminarias y otros elementos,
manteniendo solamente aquellas frecuencias relevantes para el
procesamiento de los datos.

9. Para ello se hace uso del diseño de un filtro pasa banda activo de
segundo orden. En un filtro pasa banda, entre mayor sea el orden, mas
rápida sera su atenuación al entrar en la frecuencia de corte, por lo que un
filtro de segundo orden permitirá obtener una respuesta veloz sin aumentar la
complejidad del circuito en gran medida. Para la elaboración de esta etapa
se utiliza el siguiente diseño:

10. Como las frecuencias relacionadas con el ritmo cardíaco se
encuentran en el rango de los 1 a 30Hz se utilizara un ancho de banda de
25Hz, descartando así todas las frecuencias mayores a esta. Para utilizar
este ancho de banda se deberá calcular Q, que es el factor de calidad que
tendrá el filtro mediante:
Q=
fo
B
Donde fo sera la frecuencia central y B, el ancho de banda.
Anteriormente se estipulo que el ancho de banda B seria de 30Hz, por lo que
para abarcar todo el rango de 1 a 30 se estableció la frecuencia central en
15Hz para así obtener el factor de calidad:
Q=
15
30
=0,5
Ya con el factor de calidad determinado se procede a obtener los
valores resistivos y capacitivos del filtro de la forma:
R1=
Q
2·π·fo·A·C 1
=
0,5
2·π·15·1·100n
=53 kΩ
R2=
1
4· π·fo·Q·C 1
=
1
4·π·15·0,5·100n
=106k Ω
R3=R4=(
Q
2
Q
2
+ A
+1)·
Q
2·π·fo·C 1
=1,2·
0,5
2· π·15·100n
=64k Ω

11. C 2=(
A
Q
2
+1)·C1=(
1
0,25
+1)·100nF=500nF
Donde:
A = Ganancia; Como solo interesa filtrar frecuencias indeseadas se diseñara
el circuito para una ganancia unitaria.
C1 = 100nF. Siendo asumida para poder determinar el valor de R1.
Con estos valores se ha podido diseñar in filtro paso banda de ganancia
unitaria con una frecuencia central de 15Hz que atenúa en gran medida las
frecuencias mayores a 30Hz tal como se muestra en el siguiente gráfico:

12. Como se puede observar, ya la señal obtenida es estable, pero difiere
de la señal original, esto es debido a un efecto secundario del filtro paso
banda. Para lograr el filtrado se utilizo una configuración inversora, que por
consiguiente ha invertido la señal, por lo cual se deberá corregir utilizando un
amplificador operacional inversor:
Como solo se busca volver a tener a la señal en su estado original no
interesa obtener una ganancia del amplificador, por lo cual el valor de las

13. resistencias sera Rin = Rf = 5kΩ. Con este ajuste se compara la señal
obtenida del amplificador de instrumentación con esta etapa:
Como se puede apreciar, se ha podido estabilizar la señal ademas de
atenuar las frecuencias innecesarias de la señal electrocardiográfica, lo que
permitirá captar las ondas R con mayor facilidad.
Detección de nivel
Ya con la señal electrocardiográfica amplificada y filtrada se utilizara
un detector de nivel que solo activara su salida cuando se llegue a un nivel
de tensión deseado con el fin de crear un tren de pulsos, efectivamente
digitalizando la señal.

14. Este comparador estará conectado a la señal ECG por su pin positivo
con el pin negativo siendo alimentado por un divisor de tensión que ajustara
la tensión de referencia a 4v para asegurar que todas las ondas R sean
captadas por el detector de nivel.
Si R2 = 20kΩ
RT=R1+R2=
R2
Vo
·Vi=
20k Ω
4V
·5V =25k Ω
R 1=RT−R2=5k Ω
Vo=
R2
R1+R2
·Vi=
20k Ω
25k Ω
·5V =4V

15. Procesamiento de datos
Por ultimo, se toman los pulsos obtenidos en el detector de nivel para
ser procesados por un microcontrolador. Para el diseño propuesto se utilizara
un PIC16F877A por su gran cantidad de puertos, con el que se pueda hacer
interfaz con un display LCD ademas de poseer convertidores analógico-
digitales que serán utilizados mas adelante. El microcontrolador al activarse
empezara un conteo de 10 segundos en el cual llevara la cuenta de estos
pulsos que al terminar, multiplicara estos mismos por 6 para así dar el
resultado de las pulsaciones por minuto. A continuación se muestra un
diagrama de flujo de la programación de esta sección:

16. Se puede comprobar el funcionamiento correcto del algoritmo
mediante la simulación efectuada:
Fueron recibidos 11 pulsos, los cuales fueron multiplicados por 6 al finalizar
el conteo. Esto es acorde a la gráfica obtenida en la simulación:

17. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ARTERIAL
La tensión arterial o presión sanguínea permite la circulación de la
sangre por los vasos sanguíneos cumpliendo la función de llevar a todos los
tejidos del organismo el oxígeno y los nutrientes que necesitan para
mantener correctamente su actividad. Se puede definir como la fuerza que la
sangre ejerce sobre las paredes de las arterias, que es más alta (presión
sistólica) cuando el corazón la bombea hacia las arterias y más baja (presión
diastólica) entre un latido y otro del músculo cardíaco.
La presión sistólica y diastólica son los valores que se utilizan para
medir la tensión arterial, lo que es importante a la hora de evaluar el estado
de salud general, ya que el caso de estar por encima de lo normal
(hipertensión) puede significar un importante riesgo de sufrir enfermedades
graves (enfermedades cardíacas, infarto cardíaco, ictus, insuficiencia renal,
etc.). Cuando es baja (hipotensión) puede ocasionar estados de confusión,
mareos, vértigo, desmayos, debilidad o somnolencia.
Para determinar estos valores en el dispositivo a diseñar, se toma en
cuenta el metodo oscilometrico, el cual es un método no invasivo que
combina un dispositivo de grabación, un manguito de brazo o la muñeca que
es inflado y un tubo de goma que conecta los dos. Cuando se infla el
manguito, la presión en el brazalete cae por debajo de la presión ejercida en
la arteria (sistólica) por los latidos del corazón. Cuando el brazalete comienza
a desinflarse, la sangre fluye nuevamente, haciendo a las paredes de las
arterias vibrar. El manguito detecta estas vibraciones y el medidor de la

18. presión arterial reconoce esto como la presión sistólica. Cuando se reanuda
el flujo de la sangre normal, las vibraciones cesan, indicando el valor
aproximado de la presión diastólica.
Para lograr esto, se plantea el uso de un manguito manual en el cual
el usuario bombeara aire hasta que el dispositivo indique detenerse,
desinflándose lentamente para así, mediante un sensor de presión, se
detecte el punto mas alto de presión que seria la presión sistólica, y con este
valor obtener la presión diastólica aproximada.
Selección del manguito de aire
Como se menciono anteriormente, se hará uso de un método manual
para el llenado de la bolsa, por lo cual se elige un modelo como el de la
siguiente figura:

19. A este manguito se le removerá el medidor de presión análogo y se le
colocara en su defecto un sensor de presión MPX4250DP de hasta 240kPa,
el cual es un transductor de presión a voltaje con una salida de 0 a 5v, por lo
que no sera necesario amplificar su señal de salida.
Conversión de presión a voltaje
El sensor MPX4250DP es lineal en todos sus puntos, lo que indica
que cada rango de presión tendrá una salida de tensión proporcional. Con el
uso del mismo se busca detectar las variaciones de presión y convertirlas en
niveles de tensión que serán tomadas por el microcontrolador PIC16F877A.
A continuación se muestra la tabla de valores de tensión con respecto a la
presión ejercida junto a su función de transferencia:

20. Para conectar el sensor al microcontrolador se tomara en cuenta la
guía de conexión recomendada por el fabricante:

21. Procesamiento de datos
Como el método oscilometrico indica, se deberá inflar el manguito
hasta una presión de 200mmHg para llevar a cabo la medición en el cual el
microcontrolador indicara mediante un LED cuando se haya llegado a la
presión necesaria. Como la tabla de conversiones del MPX4250DP solo
resalta unidades en kilopascal, se realizara la conversión de estos valores a
mmHg para comparar el punto mas alto y obtener la presión sistólica.
Ya
teniendo
estos datos
convertidos el microcontrolador registrara las variaciones de tensión que
ocurran mientras el manguito se desinfla hasta llegar a 0mmHg, de las
cuales tomara el punto mas alto y lo tomara como la presión sistólica. Para la
presión diastólica, tomara la presión sistólica como referencia y la
multiplicara por el 60%, que suele ser el valor común de la misma para así
obtener un valor aproximado de la presión diastólica.
A continuación se muestra el diagrama de flujo de la sección de
medición de la presión arterial:

22. Dada la simulación realizada se ha confirmado el funcionamiento del
programa:

23. Por ultimo, se muestra el esquema del medidor de presión arterial y
ritmo cardíaco:

25. CONCLUSIÓN
Dado por planteado el diseño y simulación de un medidor digital de
presión arterial y ritmo cardíaco, se ha podido profundizar conocimientos en
el área de la electromedicina, con enfoque en el acondicionamiento de
señales biológicas diminutas o imperceptibles por el ser humano que
requieren de una cantidad de procesos y etapas variadas para ser utilizables
para su medición como la atenuación de frecuencias y la digitalización de los
datos obtenidos. Con el diseño realizado del dispositivo se busco convertir
métodos de medición manuales a digitales para facilitarle el uso al usuario
final.