Diseño y construcción de un amplificador de bioinstrumentación

Resumen—Este artículo trata de un resumen obtenido de una extensa información basada en la bioinstrumentación; realizando un análisis central en el diseño y la construcción de un amplificador de bioinstrumentación que sirva como electrocardiógrafo. Se realiza un análisis breve atreves de un cuadro de procesos, en el cual se obtiene la señal desde el ser humano mediante electrodos conectados al cuerpo; con las variables de medición obtenidas llega al amplificador de bioinstrumentación el cual debe cumplir normas internacionales establecidas para garantizar un buen proceso y prevenir daños a las personas, posteriormente pasa a una conversión digital el cual envía una señal a la PC para lograr un diagnóstico de alto nivel.

Índice de términos—Amplificador, bioinstrumentación, electrocardiógrafo, señales, RRMC.

Abstract—This article is a summary obtained extensive information based bioinstrumentation; performing a central analysis in the design and construction of a bioinstrumentation amplifier serving as electrocardiograph. A brief analysis of a picture dare process, in which the signal is obtained from the human being through electrodes attached to the body is performed; with the measurement variables obtained reaches the amplifier bioinstrumentation which must meet international standards established to ensure a smooth process and prevent harm to people, then passed to a digital conversion which sends a signal to the PC for a diagnosis of high level.

Index terms—Amplifier, bioinstrumentation, electrocardiograph signals, CMRR.

Introducción

En los sistemas de bioinstrumentación los amplificadores constituyen una componente muy importante; las características deben relacionarse a las situaciones que se establecen por la señal a ser amplificada y al lugar físico de aplicación.

Ya que la electrónica tiene un gran campo de estudio en la biomedicina, se realizara un análisis mediante una gran información que existe y con los conocimientos obtenidos principalmente en amplificadores operacionales.

La bioinstrumentación es de gran ayuda en el campo de biomedicina ya que ayuda a los profesionales de la rama médica

a tener datos de medición en tiempo real, y así ellos poder obtener resultados de alto nivel, por ende aplicar el mejor tratamiento.

A través de los electrodos de obtendrán variable de medición a una gran escala de exactitud, posteriormente serán transferidos a una pc para su respectivo análisis medico de diferentes personas a ser aplicadas.

Ya que hoy en día la tecnología avanza a grandes pasos no es la mejor manera de seguir diagnosticando la salud como en la antigüedad, lo mejor es actualizar e ir implementado diferentes aplicaciones q ayudan a una mejor obtención de resultados de diagnósticos en la medicina.

Con la implementación del amplificador de bioinstrumentación se obtendrán grandes resultados ya que la transmisión de bioseñales hacia la pc, se obtienen en tiempo real de lo que está ocurriendo en ese momento en el cuerpo humano.

Descripción teórica del amplificador de bioinstrumentacion

El desarrollo en el diseño y construcción del amplificador de bioinstrumentación que sirva como electrocardiógrafo, está establecido en un sistema de bloques, que cada uno definirá los diferentes procesos, según se observa en la figura 1.

Este amplificador tiene un procedimiento que forma parte de un sistema integral desde el ser huma hasta una PC, pasando por un selector de electrodos de captura, posteriormente al amplificador de bioinstrumentación el cual de cumplir con estrictas características, luego se realiza la conversión a digital y finalmente obtener las bioseñales en la PC. [6]

Ilustración 1 Diagrama de bloques para la obtención de bioseñales. Fuente: Los autores

• Características para amplificador de bioinstrumentación

Para un óptimo funcionamiento y proporcionar garantía debe cumplir con normas internacionales como:

1.- Una alta impedancia de entrada, que debe ser mayor a 5Mohms.

2.- Una impedancia de salida menor a los 100ohms

3.- Razón de rechazo de modo común (RRMC) mayor a 1400.

4.- Respuesta en frecuencia 0.05 a 100hz.

5.- Entre entradas una protección de 6500V de sobre voltajes.

6.- Recuperación entre 1 segundo luego de una sobrecarga.

7.- Obtener una ganancia entre los 1125.

8.- Una corriente en los electrodos de entrada menor a 1A.

9.- Funcionamiento con 200mv en dc a la entrada.[6]

• Amplificador básico

El amplificador operacional (amp-op) es uno de los circuitos analógicos más utilizados, ya que en la práctica tienen una gran semejanza hacia un (apm-op) ideal; por ello tienen un buen desempeño y por ende confiabilidad. En la figura 2 se muestra el diseño del esquema básico de amplificador de bioinstrumentación. [1]

Ilustración 2 Esquema básico de amplificador de bioinstrumentación.[6]

Ilustración 3 Parte 1 del esquema [2]

Ilustración 4 Parte 2 del esquema [2]

Se relaciona tres etapas; la primera es la entrada, la segunda es el amplificador de bioinstrumentación y la última es la salida.

Existen diferentes condiciones como; una de ellas es que el amplificador de funcionar en ambientes ruidosos, por ello se necesita tener una alta razón de rechazo en modo común, para ello se ha diseñado la etapa diferencial con baja ganancia. Con un potenciómetro de 100kohms para para lograr la alta razón de rechazo en modo común RRMC; el amplificador debe lograr ganancia aproximada de 1000 para obtener una buena amplitud de visualización del electrocardiógrafo. [2]

Con la conexión de dos amplificadores adicionales (entrada) en las entradas diferenciales es posible obtener una alta impedancia requerida y también para mejorar la alta razón de rechazo de modo común. Los amplificadores se requieren en la configuración seguidora, ya que dará una impedancia alta para cumplir la condición a la entrada. Estas etapas están acopladas en dc y muestra una ganancia de 48.9 dando a una funcionalidad con 200mv en la entrada. [2]

El amplificador debe dejar pasar frecuencias mayor a 0.05Hz, entonces es necesario la utilización de un filtro; luego de realizar varios análisis se vio en la obligación de colocar a la salida de la etapa diferencial ya que esta opción no realiza cambios en la impedancia de entrada, dejando a esta igual que el análisis anterior y obteniendo el filtrado que se necesita con solo un capacitor y una resistencia. [2]

Finalmente la última etapa de acoplado en ac, tendrá una ganancia de 23, con ello mediante las tres etapas se obtiene una ganancia total de 1125 cumpliendo con lo anterior. [2]

• Bioseñales

Potenciales bioeléctricos se obtienen de la actividad de un cierto tipo de células que se les conocen con el nombre de células excitables, aquellas que conforman tejidos glandulares musculares y nerviosos. [3]

• Sistema de Excitación de Pierna Derecha

Con la alta razón de rechazo en modo común puede minimizarse los efectos de voltajes de interferencia, pero mediante un sistema de excitación de la pierna derecha se lograra una mayor reducción de interferencia.

Ala salida de los amplificadores de entrada se conectan dos resistores de 22kohms que censan el voltaje en modo común que son detectados por los electrodos; el voltaje obtenido se lo realimenta al cuerpo mediante un resistor de 47kohms siendo este conectado al electrodo de la pierna derecha. [7]

• Selector Digital de Electrodos de Entrada.

Ya que en la entrada se necesita una alta impedancia, se conectan amplificadores seguidores con ganancias de 1 en los electrodos iniciales para que no exista una disminución de la impedancia. Mediante un selector digital (MUX) se fijan 12 derivaciones para los registros como se ve en la figura 5. [9]

En el diseño digital se puede observar que está realizado por dos multiplexores (MUX CD4051) de 8 canales, encargados de transferir las señales al amplificador de bioinstrumentación dependiendo del estado de sus entradas. Entonces se utiliza dos contadores binarios (CD452O) para la selección de derivaciones y precordiales (V1 a V6). [9]

Ilustración 5 Selector digital para la entrada. [2]

• Calibración de Sobrecargas

Ya que se exige una señal de 1mv a la señal de cardiógrafo; sin afectar la impedancia de entrada se debe conectar el circuito de calibración. Dando un voltaje de 1.5V dc y un divisor de tensión para obtener una señal de 1mv. [15]

Análisis

Existen resultados que convencen a las diferentes muestras de prototipos, ya que se realizan diferentes pruebas sin causar daños a personas; con el cumplimiento de las diferentes condiciones del diseño y aplicación de cada una de las diferentes propuestas que existen.

Mediante este diseño de amplificador de bioinstrumentación existe gran confiabilidad, por todo el análisis realizado con previos estudios.

Mediante estrictos análisis se pudo constatar que a la entra del selector de electrodos necesaria mente debe tener una alta impedancia de entrada para cumplir con las normas establecidas y así se garantiza el estado de la persona. Se logra obtener una impedancia de salida menor a los 100ohms, unarazón de rechazo de modo común (RRMC) mayor a 1400.

Las Respuestas en frecuencia de 0.05 a 100hz; para los sobre voltajes existen protecciones de 6500V, con este cumplimiento de normas internacionales se puede llegar al alcance de la medicina para su respectiva aplicación.

Conclusiones

Como se ha podido dar en cuenta que la ingeniería electrónica ha estado con una gran relación entre las ciencias médicas y biológicas, ayudando al avance de diferentes aplicaciones para la salud del ser humano.

Existe un gran campo de estudio en la medicina mediante la electrónica, por ello se ve que se puede seguir realizando diferentes estudios para dar soluciones a la salud y así dando grandes avances a la tecnología en la biomedicina, ya que hoy en día se ha vuelto algo común en nuestras vidas diarias.

En cuanto al diseño del amplificador de bioinstrumentación, se logró mediante una entrada de alta impedancia de señal a través de electrodos, posteriormente se pasó al amplificador obteniendo altas ganancias, luego se realizó una conversión a digital para obtener en la PC.

En este artículo obtenido mediante diferentes bibliografías se ofrece el diseño e implementación del amplificador de bioinstrumentación, el cual permite la monitorización de bioseñales en tiempo real, apoyándose en la ingeniería electrónica.

Bibliografía

Autor:

Juan Carlos Placencia Plasencia, Nació en la ciudad de Cuenca – Ecuador, en 1990. Sus estudios iniciaron en la Escuela "Abelardo Tamariz Crespo" posteriormente en la secundaria recibió el Título de Bachiller en Ciencias Básicas en el Colegio Militar "Abdón Calderón" COMIL-4. Actualmente es estudiante de la Universidad Politécnica Salesiana.

Juan Diego Placencia Plasencia, Nació en la ciudad de Cuenca – Ecuador, en 1993. Sus estudios iniciaron en la Escuela "Abelardo Tamariz Crespo" posteriormente en la secundaria recibió el Título de Bachiller en Ciencias Básicas en el Colegio Militar "Abdón Calderón" COMIL-4. Actualmente es estudiante de la Universidad Politécnica Salesiana.