Adquisición de señales ECG y EMG

Resumen

Este documento presenta principales características de un ECG elaborado, siendo comparado con las señales de un instrumento de adquisición de señales biomédicas elaborado por un grupo de estudiantes como su trabajo de grado con lo que verifican el funcionamiento de los sistemas y se canaliza uno de los resultados.

Introducción

Las señales ECG son señales que permiten captar el ciclo cardiaco; el cual incluye todos los eventos relacionados con el paso de la sangre a través del corazón.

La naturaleza de señales eléctricas que maneja el corazón puede establecer el estudio del comportamiento que tiene el mismo; siendo así; una ventaja para el análisis y comprobación de sus correctos movimientos haciendo de esto una ventaja para las detecciones de enfermedades cardiacas.

De igual manera las señales ECG pueden ser señales totalmente utilizables para el estudio de prótesis y mecanismos que pueden ayudar a las personas que hayan sido víctimas de una amputación.

Para la adquisición de estas señales se debe tener especial cuidado; debido a que una mala adquisición puede dejar de lado información valiosa en la señal extraída, provocando un diagnóstico equivocado totalmente por lo que el único perjudicado seria la persona a la que se le practique las pruebas.

Bioseñal ECG

Un electrocardiograma (ECG) es un examen que registra la actividad del corazón.

Un ECG se emplea para medir:

• Cualquier daño al corazón.

• Que tan rápido está palpitando el corazón y si lo está haciendo de forma normal.

• Los efectos de fármacos o dispositivos utilizados para el control del corazón.

• El tamaño y la posición de las cámaras del corazón.

Valores Normales.

• Frecuencia cardiaca 60 a 100 latidos por minuto.

• Ritmo cardiaco: constante y uniforme

• A. Ondas componentes de ECG

Un período del ECG concerniente a un individuo sano, consiste en una onda P, el complejo QRS, la onda T y la onda U, tal como se muestra en la siguiente Figura1.

Figura 1. Onda encefalograma

Las porciones del electrocardiograma entre las de?exiones se denominan segmentos, y las distancias entre ondas se denominan intervalos. El ECG puede ser dividido en los siguientes intervalos y segmentos:

Onda P: En condiciones normales es la primera marca reconocible en el ECG. Corresponde a la llegada de la señal de activación a las aurículas. Su duración es menor de 100ms y su voltaje no excede los 2,5mV.

Intervalo PR: Muestra el período de inactividad eléctrica correspondiente al retraso que sufre el estímulo en el nodo auricular ventricular. Su duración debe estar comprendida entre los 120 y 200ms.

Complejo QRS: Es la marca más característica de la señal electrocardiográ?ca. Representa la llegada de la señal de activación a ambos ventrículos. Su duración es de 80 a 100ms.

Segmento ST: Comprende desde el final del complejo QRS hasta el inicio de la onda T.

Onda T: Corresponde a la repolarización ventricular, aparece al final del segmento ST. Intervalo QT: Comprende desde el inicio del complejo QRS hasta el final de la onda T y representa la despolarización y repolarización ventricular. Su duración estará entre 320 y 400 ms. A continuación se muestra una Tabla I con la relación entre el ritmo cardiaco y la duración de este intervalo.

Tabla 1

RITMO CARDIACO

Figura 2. Disposición de los electrodos registrando derivaciones electrocardiográficas estándar

• Derivación I: brazo izquierdo va al terminal positivo y el brazo derecho colocando el terminal negativo el electro- cardiógrafo registra potenciales positivos de +0,5mV.

• Derivación II: pierna izquierda va al terminal positivo y el brazo derecho colocando el terminal negativo, el electrocardiógrafo registra potenciales positivos de +1,2V.

• Derivación III: Pierna izquierda va al terminal positivo y el brazo izquierdo colocando el terminal negativo, el electrocardiógrafo registra potenciales positivos de +0,7V.

Bioseñal EMG

Electromiografía se define como el registro de la actividad eléctrica del músculo.

Una electromiografía se emplea con mayor frecuencia cuando las personas tienen síntomas de debilidad y la evaluación muestra deterioro de la fuerza muscular. Este examen puede ayudar a diferenciar entre debilidad muscular causada por lesión de un nervio fijado a un músculo y debilidad debido a trastornos neurológicos.

La utilidad de la electromiografía ha sido demostrada con el paso del tiempo. Hoy en día los clínicos disponen de esta clase de técnicas para proporcionar pruebas objetivas de la implicación del sistema nervioso y muscular afectado por diversas patologías. También ayuda a la localización específica de la lesión, a conocer la magnitud de la lesión y a establecer un pronóstico de recuperación funcional.

• A. Valores normales

Normalmente hay muy poca actividad eléctrica en un músculo en reposo. Introducir las agujas puede causar alguna actividad eléctrica, pero una vez que los músculos se calman, se debe detectar muy poca actividad de este tipo. Cuando usted flexiona un músculo, la actividad comienza a aparecer. A medida que usted contrae más el músculo, la actividad eléctrica se incrementa y se puede observar un patrón. Este patrón le ayuda al médico a determinar si el músculo está respondiendo como se debe.

Figura 3. Esquema de colocación

• B. Características de la señal EMG

Las principales características de las señales EMG son: la amplitud del pico principal, los cambios de fase de la señal, la duración y la estabilidad de la misma. La amplitud de la tensión que se puede medir está comprensión entre uV y mV y entre 50 y 200Hz.

Existen dos métodos para detectar las señales EMG, la invasiva y la no invasiva. El método invasivo emplea electrodos intramusculares mientras que el método no invasivo utiliza electrodos superficiales.

El EMG es una señal que se forma por las variaciones del estado de las fibras musculares, a continuación se muestra la forma característica de una señal EMG en la cual se identifican tres contracciones musculares.

Figura 4. Forma característica de una señal EMG

Metodología

Para la adquisición de las señales tanto ECG como EMG se implementó el siguiente circuito:

Figura 5. Circuito Adquisición de Señales Biomédicas

Para ello se toma las señales se realizó utilizando una derivación unipolar V6 con ubicación de los electrodos entre: Mano Derecha, Mano Izquierda y Pie Izquierdo, las mismas que pasan directamente a ser amplificadas y transmitidas hacia el computador.

Mediante el software de LabView se aplica un filtrado de la señal original para acondicionar de la mejor manera la toma ECG y realizar un correcto análisis.

Primero se aplica un filtro de 80Hz pasa bajo el cual filtra todo tipo de interferencia magnética que pueda existir en el ambiente, otro filtro pasa banda de 20Hz permite que la señal que contiene la información importante puede ser ingresado al sistema así señales como la de los pulmones que está por debajo de los 5Hz sea eliminada, finalmente un filtro elimina banda en 55Hz y 65Hz que permite que las frecuencias como la de las fuentes de alimentación sean borradas de la señal que contiene la información del ECG.

La muestra del periodo cardiaco se realiza mediante la derivada de la señal 1 para así obtener el pico máximo de la misma, que ocurre cuando la onda R sube, este tiempo en donde ocurre este pico máximo es guardado hasta que se de el próximo pico, el valor guardado entre pico y pico de la onda R nos indica el periodo de la señal cardiaca.

En el caso del EMG se aplica el mismo concepto con la diferencia que en este se tiene una derivación en el palmar mayor y el bíceps, con un mismo sistema de filtrado para eliminar de igual manera todo tipo de señal que interfiera en el análisis.

De la misma forma que en el caso anterior se utiliza el software de Labview para la adquisición, filtrado y visualización de la señal.

Este es el panel frontal del software utilizado para los respectivos análisis.

Figura 6. Panel frontal adquisición de las señales biomédicas.

La realización del hardware contiene:

• 1) AD620

• 2) TL082

• 3) Resistencias:

• a) 220 KOhmios x3

• b) 22 KOhmios x2

• c) 1 MOhmio

• d) 6.98 KOhmios

• 4) Condensador:

• a) 0.1uF

• 5) Electrodos Circulares de superficie con gel de contacto directo.

La adquisición de las señales ha sido llevada en un paciente tanto para EMG como para ECG el cual con la mano derecha, mano izquierda y pie derecho se toman las señales en un solo estado de la persona, sin cansancio, ni agitación, completa- mente sana sin ningún tipo de afección que pueda interferir en la prueba.

En el caso del EMG se toma la señal de una sola persona, con un estado físico estable, sin enfermedad alguna, ubicando los electrodos en el palmar mayor y bíceps, con lo que se pide al paciente que realice una fuerza en un determinado instante y vuelva a relajarse en otro.

Análisis de resultados

La señal ECG adquirida por parte del trabajo de tesis como se aprecia en la Figura 7 contiene una elevada cantidad de componentes de señales inmiscuidas en la misma, las cuales pueden provocar fallas en los análisis de la señal y el respectivo diagnóstico.

Trabajando los espectros de la señal recogida (Figura 8) se observa claramente componentes en el rango de frecuencias de 5 a 10Hz las mismas que producen una señal totalmente ruidosa la misma que imposibilita su correcto análisis.

Figura 7. Señal ECG

Existe una segunda muestra que ha sido ingresada a un filtro pasa banda notch con lo que se pretende disminuir este ruido y componentes que ingresan con la señal de análisis produciéndose una disminución del 20% con lo que la señal de igual manera se encuentra con una alta cantidad de ruido como para ser analizada correctamente.

Inclusive existe una componente sinodal que ingresa con el ECG que distorsiona de igual manera al análisis, esta señal producida por la respiración de la persona sometida a la prueba no permite una estabilidad de la señal para analizarla.

Figura 8. Espectros Señal ECG

En el caso del EMG como se aprecia en la Figure 9 existe menos ruido inmiscuido en la señal principal en el caso del trabajo de tesis; sin embargo, esto no quita el ruido que produce picos en la señal principal que se aprecian en el espectro de frecuencia.

La adquisición realizada por parte de ambos sistemas han sido de partes diferentes por lo que no se podría realizar un mejor análisis de estas señales, en este caso cabe resaltar el excelente filtrado por parte de la señal EMG obtenida en comparación con el trabajo de tesis, esto se aprecia claramente en el espectro de frecuencia de la Figure 10 en donde pequeñas filtraciones de señales de interferencia ingresan en el sistema 1, comparado con el sistema 2 que tiene una mejor performance.

Figura 9. Señal EMG

Figura 10. Espectros Señal EMG

Conclusiones

Las señales ECG y EMG obtenidas mediante el filtrado digital de la señal, es mucho más clara para el análisis de cualquier tipo.

Las señales obtenidas por los estudiantes del trabajo de tesis tienen inclusiones de ruido a su sistema inclusive obtienen señales de variaciones respiratorias.

Existe un filtrado alrededor del 90% de señales de interferencia electromagnética.

El filtrado de 50/60 elimina por completo las señales que ingresan desde las fuentes de alimentación del sistema, lo que en contraste con el trabajo de tesis no existe un adecuado filtrado de las señales basura.

Con la misma toma o derivación para las señales tanto ECG como EMG se disminuye en un 400% por ciento el tamaño del sistema aplicado por el trabajo de tesis con lo que se vuelve un sistema eficiente fácil de aplicar, manipulable y portátil.

Realizando el mismo tipo de pruebas entre los dos sistemas se obtienen señales similares en cuanto a su información, mas no en su visualización.

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Jaime Alexander Torres Arias, nacido en la ciudad de Quito el 13 de mayo de 1991, culmino los estudios primarios en la Unidad Educativa "Vida Nueva", los estudios secundarios los curso en el Colegio Técnico Experimental Salesiano "Don Bosco" La Kennedy actualmente cursando el tercer año de estudios en la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Politécnica Salesiana, sede Cuenca-Ecuador.

Autor:

Jaime Alexander Torres Arias

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca-Ecuador