SENSOR DE PULSO CARDIACO CARDIACO
ESTUDIANTES: SEBASTIAN QUINTERO GARCIA. 20141125476 SANTIAGO QUINTANA BRAVO. 20142131396
PROFESOR: FAIBER ROBAYO
USCO NEIVA-HUILA INGENIRERIA ELECTRONICA 2017-A
INTRODUCCIÓN
La idea principal de este trabajo es aplicar los conocimientos sobre electrónica adquiridos durante la carrera para realizar un proyecto que combine disciplinas de la misma. Para ello se nos ocurrió un sensor de pulsos cardiacos juntando una serie de dispositivos que recibiese información de un sensor conectado a alguna parte del cuerpo (la punta del dedo) donde cada latido del corazón será captado por el sensor y mandado a una interfaz gráfica para poder verificar a simple vista la frecuencia cardiaca y poder hacer los muestreos si son necesarios. El sensor consiste en un emisor infrarrojo y un detector montado a un lado y debe estar presionado contra la piel. Cuando el corazón bombea, la presión arterial se eleva considerablemente y lo mismo ocurre con la cantidad de luz infrarroja procedente del emisor que se refleja en el detector. El detector deja pasar más corriente cuando recibe más luz, que a su vez provoca una caída de tensión para entrar al circuito amplificador. Este diseño utiliza amplificadores operacionales consecutivos (opamps) para establecer un punto de referencia estable para la señal, destacando los picos y filtrando el ruido.
OBJETIVOS
Generar un dispositivo que tenga la capacidad de reflejar la señal del pulso cardiaco mediante una interfaz gráfica computacional, usando sensores y diversos instrumentos vistos en la academia.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Implementar un modelamiento matemático similar al visto en la asignatura, con el fin de tener la certeza de que la teoría y la practica van muy relacionadas o son exactamente igual. Diseñar un dispositivo muy fácil de portar y atractivo a simple vista, para así mismo tener una visión de fabricante de nuestra industria.
MATERIALES
Juego de resistores con diferentes valores de ohm. Juego de capacitores con diferente capacidad. Circuito Integrado LM358. Arduino UNO
CALCULOS TEORICOS El siguiente sistema es el encargado de acondicionar la señal. Con este se busca filtrar la señal para eliminar el posible ruido y la componente continua del pulso sanguíneo y además de amplificar la señal.
+ +
Vo
Vi -
-
Tras la elección del sensor la primera etapa por la que pasará la corriente emitida por el led infrarrojo receptor será un amplificador de trasimpedancia. Es un conversor de corriente a voltaje. Cuando llega una corriente muy pequeña la transforma en un voltaje que le es proporcional. La impedancia de entrada es muy pequeña, ya que esta diseñad para trabajar con unan fuente de corriente.
Filtro pasa alto. Esta etapa tiene como objetivo eliminar la componente continua de la señal recibida tras pasar por el amplificador de transimpedancia. Para ello se utilizó un filtro pasa bajo con una frecuencia de corte de 0.7 Hz. En este trabajo y para el objetivo que aquí se plantea, se considera que el espectro de la señal fotopletismográfica está por encima de los 0.7 Hz, por lo que todo lo que quede po r debajo de esta frecuencia se considera parte de la componente continua.
Por ley de los voltajes de Kirchhoff se tiene que
() = ()+() () = ∫ ()+() () = () = () Aplicando transformada de Laplace a cada termino, considerando condiciones iniciales 0.
() = () = () ()
como despejando para
Reemplazando
() = 1 () + ()
al aplicar transformada de Laplace
() = ()
, y
() = ()
() () () = 1 () + [ ()] () + () () = () = () [1 +1 ] () = 1 () 1 +1 () = () 1+ en
Al condensador se le da un valor de 4,7 µF y a la resistencia un valor de 47 kΩ.
() = (4.7µ)(47 Ω) () 1+ (4.7µ)(47 Ω) () = 0.2209 () 0.2209+1 Vg(s)
Vo(s)
Amplificador operacional con filtro pasa bajo. Esta etapa consiste en un filtro activo de pasa bajo, es decir, un amplificador operacional con un filtro pasa bajo.
= () + (()−()) + ()−() = 0 () + () + () = () + ()
Por ley de las corrientes de Kirchhoff se tiene que
Aplicando transformada de Laplace a cada termino, considerado condiciones iniciales 0.
() +() + () =() + () () ++ ] = ()[+ () = 1 ++ 1 () + 1 () = + + () ( +1) () = + + () + [
]
() = (100)(6.8 Ω)(680 Ω)+6.8 Ω+680 Ω () (100 )(680 Ω)(6.8 Ω)+6.8 Ω () = 462.4+686800 () 462.4+6800 462.4+686800 462.4+6800
A la resistencia se le da un valor de 6.8 kΩ, a la resistencia de 680 kΩ, y al condensador 100 nF.
se le da un valor
Con todo esto se tiene que el digrama de bloques que repr esenta el comportamiento del sistema es el siguiente.
1+
+ + +
Donde la función de transferencia del sistema es
() = ++ () +++ = 4.7 µ = 100 = 47 Ω = 6.8 Ω = 680 Ω () = 102.14416 +151714.12 () 102.14416 +1964.52+6800
Donde los capacitores tienen los siguientes valores resistores , y .
102.14416 +151714.12 102.14416 +1964.52+6800
y
y los
ANALISIS Y RESULTADOS Teniendo la función de transferencia de cada etapa del sistema, se procede a hacer un análisis del comportamiento de cada etapa respecto a una señal pulso de amplitud 1 y periodo 1.
Filtro pasa alto.
De la gráfica se puede observar que el filtro elimina las componentes continuas del pulso. La onda obtenida del amplificador de transimpedancia tiene una componente continua (DC) y se le superpone una componente alterna (AC). La componente continua se debe a la absorción constante de luz por parte del sistema venoso periférico, que no arterial, de los tejidos, d e los huesos… y la componente pulsátil a la variación del pulso. Tiene una frecuencia de 1 Hz y representa alrededor de un 5% de la componente continua.
Amplificador operacional con filtro pasa bajo. De la gráfica se puede observar que la señal tuvo una ganancia de 101 y que gracias al filtro pasa bajo, se permite el paso de bajas frecuencias mientras las altas frecuencias son atenuadas. Con esta etapa también se eliminó el ruido existente en la señal, incluyendo los 50 Hz de la red de alimentación y se amplifica la débil señal obtenida del sensor.
Ahora se analiza el comportamiento del sistema respecto a una señal pulso de amplitud 1 y periodo 1.
Se observa una señal resultante sin la componente continua del pulso y amplificada, esta sería la señal que representaría el comportamiento del sistema.
A continuación, dicha señal se comparará con la simulación del sistema y con una señal del pulso cardiaco obtenida de diferentes partes del cuerpo.
Simulación del sistema.
Señal del pulso cardiaco adquirida en distintas partes del cuerpo.
Comparando las señales presentada anteriormente, se concluyó que la señal que se desea obtener es la siguiente, teniendo en cuenta los factores externos que afectan la señal, como lo son la absorción por parte de los tejidos, huesos, etc.
La onda obtenida mediante la interfaz gráfica se muestra a continuación. Donde se logra apreciar cierta similitud en la forma de la onda que se esperaba que tuviéramos como respuesta.
La onda obtenida se compara con una onda obtenida sin tener en cuenta las interferencias.
Evidentemente estas formas de onda varían con respecto al tiempo, es decir que el tiempo transcurrido entre los pulsos no es siempre constante, y también de persona en persona ya que existen muchos factores que la condicionan: la actividad física, el stress o un aumento de la temperatura corporal provocarían un aumento de las pulsaciones y de la sangre bombeada al cuerpo. Para un mismo un sujeto y para unas mismas condiciones, el tiempo entre latidos varía con la respiración, de modo que cuando se respira, la frecuencia cardíaca instantánea disminuye.
REFERENCIAS
[1]Hacedores. (28,02,2017). Sensor de pulso cardiaco. http://hacedores.com/haz-un-sensor-de-pulsos-cardiacos/
Tomado
[2]Makezine. (15,02,2017). Circuito para sensor infrarrojo. Tomado de: http://makezine.com/projects/ir-pulse-sensor/ [3]Alldatasheet. (20,03,2017). Informacion del transistor usado. Tomado de: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=2n3904 [4]alldatasheet. (10,04,2017). Informacion del C.I implementado. Tomado de: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Lm324n%20datasheet
de:
