CONTADOR DE RITMO CARDIACO

0.INTRODUCCIÓN.

En el presente documento se resume el proceso de diseño y construcción de un contador del ritmo cardíaco, el cual es un dispositivo que sirve para cuantificar la cantidad de pulsos o latidos cardíacos de una persona en un minuto. La frecuencia de latido del corazón es uno de los primeros valores que se tienen en cuenta a la hora de hacer cualquier examen al funcionamiento del organismo.

La función del circuito que vamos a diseñar consistirá en tomar los latidos dados por el corazón mediante la colocación de un sensor de infrarrojos en un dedo. Este sensor tendrá un emisor de luz infrarroja a un lado del dedo y al otro lado del dedo tendremos el receptor de esta luz. Según varíe la opacidad de nuestro dedo, el receptor recibirá más o menos luz y esta opacidad dependerá de la cantidad de sangre que halla circulando por nuestro dedo que a su vez depende de la frecuencia con la que lata el corazón.

Este sensor nos proporcionará una señal eléctrica que mediante un sistema de amplificación y filtros aplicaremos una señal eléctrica a un pequeño altavoz y un diodo led los cuales sonarán y se encenderán, una vez por latido, respectivamente.

El circuito que montaremos para conseguir este fin será el siguiente.

Visto así podría parecer algo complicado el análisis global del sistema, pero lo analizaremos por partes, calculando las resistencias y condensadores según vayan siendo necesarios. En el circuito podríamos diferenciar cinco partes:

A continuación realizaremos los cálculos de resistencias y condensadores parte por parte y comprobaremos esos resultados mediante la simulación con Orcad.

1.SISTEMA SENSOR.

El circuito que corresponde a esta parte sería el siguiente.

Para comenzar, decidí polarizar el led y el fotodiodo a una tensión de 5V ya que tanto los ejemplos que pude encontrar, como las hojas de características del diodo y fotodiodo aplicados venían referenciados a ese valor de tensión de polarización.

Para obtener esta tensión de 5V se coloca un divisor de tensión compuesto por Rw y Rx. Los valores de estas resistencias son:

Una vez obtenidos estos valores, calcularemos la Rlim. Según las hojas de características del fabricante del led usado (LD274) la intensidad máxima que puede circular por el diodo If = 100mA. Nosotros tomaremos una corriente bastante menor para asegurarnos que no llegamos al rango de ruptura del diodo. Luego si tenemos una tensión VLED de 1.1 V y fijamos la intensidad por éste a 25mA, el valor de la resistencia Rlim será:

Rlim = (5 - 1.1) / 0.025 = 156!

En uno de los varios artículos consultados para realizar este ejercicio, se dice que el diodo led LD 274 tiene una característica Ie,min = 50mW/sr para 100mA. Es decir, cuando por el diodo circulan 100mA el fabricante nos asegura como mínimo una potencia lumínica de 50mW en el ángulo rígido (esteroradián) abarcado por el diodo.

Esta potencia está referenciada para el valor de 100mA, luego habrá que dividirla entre cuatro ya que la intensidad que nosotros hemos tomado es de 25mA y la potencia emitida es directamente proporcional a la intensidad que circula por el led. Entones Ie,min(25mA)= 12.5mW/sr.

A continuación pasaríamos a analizar que ocurriría en el fotodiodo (BPW34). El fotodiodo es un dispositivo que proporciona una intensidad en función de la potencia luminosa que recibe cuando está polarizado en inverso. Si lo estuviese en directo, se comportaría como un diodo normal.

En la siguiente figura se ve cómo la intensidad suministrada por el diodo tiene una ligera dependencia con la tensión de polarización en inverso (antes calculada de 5V) aunque esta dependencia es muy baja y la vamos a despreciar.

También hay que considerar el umbral de sensibilidad del fotodiodo en función de la longitud de onda que reciba. En nuestro caso, al ser infrarrojo estaremos en el rango de longitud de onda  = 950nm. Para unas longitudes de onda entre 900 y 950nm el diodo funciona perfectamente y no captará menos potencia luminosa por culpa de una longitud de onda inapropiada. Esto se ve en la siguiente figura, donde vemos que el punto máximo de trabajo del fotodiodo se encuentra sobre los valores de longitud de onda antes mencionados.

Por ejemplo si trabajásemos con longitudes de onda de 1050 nm el fotodiodo solamente captaría el 40% de los rayos que llegan a su superficie.

Llegados a este punto, sabemos la potencia luminosa que emite el led en su ángulo rígido, pero no será esa potencia luminosa la que el fotodiodo transforme en intensidad a su través. La intensidad que suministre el BPW34 dependerá de la potencia captada por éste. Y para saber que potencia recibe tenemos que saber cual es el ángulo rígido del propio fotodiodo. El ángulo rígido se define como el área del fotodiodo dividido entre el cuadrado de la distancia que le separa del emisor sabiendo que el área del BPW34 es de 7.5mm2 y que está separado del diodo led 3cm, luego tendremos el siguiente valor del ángulo rígido.

srBPW34 = A / d2 = 7.5 mm2 / 9 cm2 = 0.0083 sr

Y sabiendo esto ya podemos calcular la potencia recibida por el fotodiodo que será igual a la emitida por el led multiplicada por el ángulo sólido (o rígido) del BPW34.

Pcaptada = 12.5 mW/sr * 0.0083 sr = 104 µW

Entonces podemos mirar la siguiente gráfica para obtener el valor de la corriente fotogenerada por el fotodiodo para esa potencia recibida.

Para poder comparar esta gráfica con el valor obtenido de la potencia, deberemos pasar las unidades a mW/cm2.

Para esta relación de mW/cm2 se ve en la gráfica que la intensidad fotogenerada toma un valor aproximadamente de 100µA.

Es bastante obvio que esta intensidad será la máxima proporcionada por el fotodiodo, ya que se produce cuando no tenemos el dedo colocado y la luz que recibe el BPW34 será máxima.

Cuando coloquemos el dedo en el sensor tendremos una pérdida de luminosidad en el fotodiodo, por lo que esta intensidad se verá mermada. Suponiendo el dedo ya colocado tendremos dos casos: cuando el corazón no esté bombeando sangre el dedo se tendrá poca sangre circulando y pasará más luz al BPW34 proveniente del led por lo que se provocará una fotocorriente mayor que cuando el corazón de un impulso y mande sangre al dedo, lo que lo hará más opaco, pasará menos luz al receptor y la fotocorriente generada será menor.

Para el primer caso, es decir, cuando el dedo tiene poca sangre porque se está esperando un latido y el dedo dejará pasar el 75% de la luz que emite el led. Si pasa esta cantidad de luz, tendremos menor potencia recibida en el BPW34 por lo que la intensidad será diferente. Esto se ve en el siguiente cálculo.

Esta potencia implica una corriente de 50µA si miramos la misma gráfica que en el caso anterior.

Para el segundo caso, es decir, cuando el corazón da un latido y el dedo se llena de sangre lo que lo hace más opaco, se capta solo el 55% de la potencia radiada por el led. Haciendo los mismos cálculos que antes obtenemos los siguientes resultados:

Esta potencia recibida en el fotodiodo por unidad de superficie implica una fotocorriente generada de 35 µA.

Hasta ahora no habíamos hablado del valor que podía tomar la resistencia Ri, pues bien, le he dado un valor de 10K! para que cuando tengamos el dedo menos opaco (es decir, con poca sangre) tenga a la salida de esta etapa una tensión Vi = 0.5V. En cambio cuando la intensidad que circula por Ri sea de 35 µA será porque el dedo tiene más sangre y la tensión que cae en la resistencia será de 0.35V. Entonces, en Vi tendremos una forma de onda similar a la siguiente.

He supuesto una frecuencia de un hercio (además de para facilitarme la evaluación de las gráficas) porque es más o menos las pulsaciones de una persona normal en reposo (60 ppm).

2.AMPLIFICADOR NO INVERSOR.

Esta parte consistirá en construir un amplificador no inversor con ganancia 21. Tendremos a la entrada la tensión Vi proveniente de la resistencia Ri y a la salida, la tensión V1 que estará amplificada. El esquema de esta parte es el siguiente.

Este es un circuito muy extendido y que ya he montado otras veces en prácticas, su funcionamiento consiste en amplificar la señal Vi para obtener V1 cuya relación viene dada por las ecuaciones:

En la siguiente gráfica se comparan los valores de Vi y V1 para que se pueda apreciar el efecto de la amplificación no inversora:

Como la señal Vi tiene un valor máximo de 0.5V y un mínimo de 0.35V, podríamos asemejarla a una onda alterna con un offset. Este offset también se amplifica al igual que los picos de tensión. Vemos que la relación de amplificación cumple con lo esperado ya que tendremos V1 = 10.5V cuando Vi = 0.5V y V1 = 7.35V cuando Vi = 0.35V.

3.FILTRO PASABANDA.

Esta parte del circuito general consistirá en un filtro pasa banda, que me limite las frecuencias entre 0.482 Hz y 4.82 Hz. Estos valores no se han tomado “a cálculo” ya que se ha intentado tomar todo el rango de pulsaciones posibles por el corazón humano.

Aunque pueda parecer extraño, existen corazones capaces de latir 30 veces por minuto (por ejemplo Miguel Indurain), es decir, con frecuencia 0.5Hz y también los hay capaces de latir a unas 280 pulsaciones por minuto como el de mi hermano que en grandes esfuerzos llegó hasta las 250 ppm. Estos casos no son habituales y lo normal es que oscilen entre 50 y 190 ppm según el esfuerzo físico, pero ya que se diseña un aparato como éste hay que tener en cuenta todos los casos.

Entonces la parte del circuito que se encargará de eliminar las señales con frecuencias fuera de la banda de paso será el siguiente.

Los cálculos de Ra, Ca, Rb y Cb serán los que delimiten las frecuencias de corte del filtro. Ra y Ca actuarán como filtro pasa altas mientras que Cb y Rb actuarán como filtro pasa baja. Sumando ambos efectos obtenemos una única banda de paso en la que la señal de de entrada V1 se verá amplificada por 5 para obtener V2.

La frecuencia de corte inferior (fL), será 0.482 Hz y dependerá de Ra y Ca mientras que la frecuencia de corte superior (fH) será de 4.82 Hz y dependerá de Rb y Cb. La ganancia del circuito, en este caso será de -5 y dependerá de Rb y Ra. Los cálculos son los siguientes.

Entonces, colocando los condensadores y resistencias conforme lo están en el dibujo, obtendremos una tensión V2 que será función de V1. Se aprecia en la siguiente figura.

La señal roja corresponde con V2, mientras que la morada lo hace con V1.

Podríamos sacar algunas conclusiones de esta figura, ya que como vemos, las componente continua de la señal V1 se ha eliminado (gracias a Ca), ese era uno de los motivos de colocar el filtro.

También vemos cómo la amplificación no ha sido exactamente igual a -5 ya que el pulso negativo de V1 tiene una amplitud de 10.501-7.339 = 3.162 V. Si la multiplicamos por 5 y la invertimos deberíamos obtener a la salida unos 15 V pero tenemos un valor de 10.5 V. Esto se debe a las pérdidas que causan los propios componentes pasivos del circuito.

Aunque parezca que esto ya no funcionaría como desearíamos, sí lo hace, ya que esas pérdidas estaban previstas y la ganancia del filtro se sobredimensionó para poder obtener unos picos de más de 10 V, cuando circulase sangre por el dedo, que era mi objetivo.

4.COMPARADOR.

Como hemos visto antes, a la salida del filtro, tendremos una señal con unos picos de unos 10.5V. Lo que se trata de lograr en este subcircuito es que las tensiones que estén por debajo de un cierto umbral, no produzcan un pulso a la salida y suene el altavoz. Para ello compararemos la señal V2 con una señal continua de 4V que hemos conseguido gracias a un divisor de tensión compuesto por Ry y Rz.

El esquema de dicho comparador sería el siguiente:

En la patilla inversora tendré una señal continua de 4V conseguida mediante el divisor de tensión. Los valores de las resistencias son los calculados a continuación:

La resistencia R la he fijado a 1K! para que la relación de comparación sea 1:1 en ambas patillas de operacional.

Este circuito me dará una tensión de salida V3 = 15 V cuando V2 supera los 4 V (V+>V-) y una salida de V3 = -15 V cuando V2 sea inferior a 4 V (V+<V-).

Esto se puede comprobar en la siguiente figura:

La señal en rojo será la señal V2 a la salida del filtro (entrada no inversora del comparador), la señal rosa se corresponde con V3 a la salida del comparador y la señal azul es la señal de 4V sacada del divisor de tensión que se introduce en la patilla inversora del comparador.

Como vemos cuando V2 supera los 4 V, V3 toma el valor de unos 15V y cuando la tensión V2 es menor de 4V, la señal V3 vale -15V.

5.ETAPA DE SALIDA.

Para terminar el circuito, colocaremos en la salida un transistor cuya base la conectaremos al potencial V3 y que pasará a conducir cuando tenga el pulso positivo de tensión en su base, es decir, cuando V3 valga 15V, por lo que trabajará en corte y saturación sin amplificar ninguna señal.

El subcircuito montado es el que se muestra a continuación:

En esta etapa tendremos una resistencia R_Load que representará al altavoz de 8 !, la resistencia Rc que limitará la corriente de colector del transistor KSP2222A de Fairchild y una R3 que valdrá 1K! en la base. Además colocaremos un diodo led que se encenderá al mismo tiempo que suene el altavoz, es decir, cuando halla corriente de colector.

La resistencia de base fue colocada para separar dos puntos a distinto potencial que serán V3 y la base del transistor. Ya que en V3 tendremos ±15V y en la base de Q1 tendremos la tensión que caiga en R_Load + VBE.

Según las características del fabricante, el KSP2222A soporta una corriente máxima de colector de 600mA. Mediante simulación he comprobado que la tensión que cae en el diodo cuando éste conduce es de 0.9V y la tensión colector-emisor (Vce) del transistor es de 2 V para el estado de conducción.

Por lo tanto, si queremos limitar la corriente de colector a 400mA para no acercarnos a los 600mA de máximo, tendremos que calcular Rc de la siguiente manera:

El funcionamiento de esta etapa de salida se puede apreciar en la siguiente figura:

Vemos que cuando la V3 toma el valor de 15v, el transistor entra en conducción y la tensión que cae en R_Load (Vo) es de unos 4V. Por otra parte, cuando V3 = -15V la base del transistor está polarizada negativamente, lo que provoca que se encuentre en el estado de corte. En la anterior figura, la señal azul se corresponde con V3 y la marrón se lo hace con Vo.

En conclusión y si hemos seguido el análisis paso a paso, vemos que cuando hay un latido del corazón el fotodiodo detecta menos luz y provocará un pico de intensidad que tras amplificarlo y filtrarlo se compara con una señal de 4 V, si ese pico es mayor de esos 4 V el altavoz de salida dará un pitido a la vez que se enciende el diodo led colocado en serie con la resistencia de colector.

Referencias:

[1] Muhammad H. Rashid. Circuitos microelectrónicas. Ed. Thomson

[2] Revista Tecnológica. Vol 15, No. 1, Diciembre 2002. Diseño y construcción de un contador de ritmo cardíaco basado en un principio óptico.

[3] Prácticas de microelectrónica y Fotónica.

[4] Apuntes de la asignatura Electrónica Analógica Integrada.

Contador de ritmo cardíaco Electrónica Analógica Integrada

Curso 2005/2006 5