Parmetros De Diseo De Filtros Biomdicos Jorge Enrique Mndez Castillo Cd.: 20101005018 Gefry Andrs Castro Jimnez Cd.: 20092005059

Bioingeniera I Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas

Abstract Parameters and requirements that must be taken into account in the design of biomedical filters, like noise, in equipment such as EEG, ECG and EMG

Key words - biomedical filters, noise, EEG, ECG, EMG

Resumen - Parmetros y requisitos, que se deben tener en cuenta en el diseo de los filtros biomdicos, como el ruido, en equipos tales como EEG, ECG y EMG. Y escoger el mejor diseo de acuerdo a los diferentes diseos de filtros.

Palabras clave Filtros biomdicos, ruido, EEG, ECG, EMG 1. INTRODUCCION

Los instrumentos biomdicos, encargados de la obtencin de seales generadas por las distintas partes del cuerpo tales como el corazn, deben presentar una medicin precisa, de tal forma que el diagnostico pueda ser lo ms acertado posible para el paciente. Por tanto, se hace indispensable que el diseo elctrico sea capaz de combatir serios y varios problemas que surgen a la hora de registrar y medir la seal del organismo. Estos problemas, como el ruido, son eliminados, en la mayora de casos, por medio del uso de filtros activos, de all la importancia de su estudio y el anlisis de sus requerimientos, que se tendrn en cuenta a lo largo de este articulo para escoger el diseo que satisfaga todos los requerimientos para la instrumentacin de ECG, EEG y EMG.

2. MARCO TEORICO

2.1 Fuentes de perturbacin de la seal Los equipos de instrumentacin biomdica deben superar varios factores que afectan la seal durante el proceso de obtencin de la misma. Estos fenmenos, que son inevitables, deben ser tratados de forma especial y mucho ms cuando se tratan de seales biomdicas donde se perciben pulsos con una amplitud de milsimas de voltio.

Entre estas encontramos, en general, para varios instrumentos mdicos las siguientes:

Interferencia en la lnea de potencia: Esta consiste en una seal de 60Hz y sus armnicos, los cuales pueden ser modelados como sinusoides y combinaciones de sinusoides. Generalmente se caracteriza por amplitudes superiores al 50% de la amplitud pico a pico de la bioseal. [1]

Ruido por contacto de electrodos: Es un ruido transitorio causado por las prdidas de contacto entre el electrodo y la piel.[1]

Artefactos de movimiento: Estos son

cambios transitorios causados por la variacin de la impedancia electrodo-piel debido al movimiento del electrodo. Generalmente poseen una duracin de 100 a 500ms y amplitudes del 30 % de la amplitud pico a pico de la seal. [1]

Contraccin muscular: Las seales resultantes de la contraccin muscular pueden ser asumidas como quiebres transitorios, tal como la respiracin. En algunos casos poseen amplitudes de 10% de la amplitud pico a pico con duracin de a 50ms en frecuencias de 10KHz

Desplazamiento de lnea base y modulacin de amplitud de ECG con respiracin: Puede ser representado como una componente sinusoidal en la frecuencia de respiracin adherida a la seal ECG. Esta varia la amplitud un 15% de la amplitud pico a pico del ECG y se presenta normalmente en frecuencias del orden de 0.15 a 0.3 HZ.

Ruido electro-quirrgico: Este destruye

completamente el ECG y puede ser representado como una gran cantidad de sinusoides con frecuencia aproximadamente de 100Hz causada normalmente por circuitos de iluminacin.

2.2 Filtros Activos Un filtro es un sistema diseado para permitir o restringir el paso de seales conforme a su frecuencia. Su construccin puede usar elementos pasivos enteramente (Resistencia, bobinas y condensadores), llamado filtro pasivo.

Los filtros activos emplean elementos amplificadores los cuales tienen la ventaja de poder amplificar la seal filtrada. Usan condensadores, resistencias y amplificadores operacionales. Entre las ventajas del uso de los filtros activos se encuentran su alta impedancia de entrada, y baja impedancia de salida, la ganancia del circuito, su fcil implementacin y el hecho de poder conectarlos en castada para tener una caracterstica ms ideal. Aunque su aplicacin est restringida a las frecuencias que se encuentran ms all del su producto ganancia - ancho de banda. El uso de los filtros est relacionado con el acondicionamiento de la seal de entrada o salida y la digitalizacin de las seales.

2.2.1 Tipos de filtros De acuerdo a la funcin de transferencia del filtro, este, se clasifica de cuatro maneras:

Filtro Pasa Bajo

Filtro Pasa Alto

Filtro Pasa banda

Filtro Notch o rechaza banda En la figura 1, se muestran las caractersticas de cada uno de ellos.

Fig 1. Caracterstica de los filtros a) Pasa Bajas b) Pasa Altas c) Pasa Banda d) Notch.

Los puntos importantes del filtro se encuentran su frecuencia de corte o me potencia media, que es solo una en los casos de filtros pasa bajos y pasa altos y dos para el filtro notch y pasa banda

El ancho de banda y el factor Q, son importantes dado que estos me indican el nivel de selectividad del filtro. Las pendientes de cada o subida de cada filtro estn asociadas al orden del mismo, una mayor pendiente ms

pronunciada formara una respuesta ms ideal del filtro. 2.2.2 Respuesta del Filtro

A dems de la clasificacin de los filtros por su tipo, su comportamiento a lo largo de la banda pasante y en su cada establece la respuesta del filtro, y su uso depender de la aplicacin, entre ellos encontramos:

Butterworth: Optimiza la respuesta plana en la banda de paso, usada en aplicaciones de conversin de datos.

Tschebyscheff: Tiene una respuesta ms abrupta. Optimiza por tanto la transicin, pero es su banda de paso tenemos un rizado.

Bessel: Optimiza la respuesta en fase lo cual resulta en un retardo constante en todo el ancho de banda.

3. REQUISITOS DE DISEO Los parmetros de diseo, son todos aquellos factores que se deben tener en cuenta a la hora del diseo de un filtro, segn el tipo, para dar solucin a un problema especfico. En el caso de los instrumentos biomdicos, los filtros son usados para obtener la seal lo ms alejada posible de todos los efectos generados por el ruido, interferencia y distorsin que perturban la seal. El ruido es posible clasificarlo segn sea una seal determinista o aleatoria, o bien segn su origen: externo o interno al sistema de medida. Normalmente se utiliza el trmino ruido cuando el origen es interno al propio sistema de medida y la naturaleza de la seal suele ser aleatoria. Por otro lado, el trmino interferencia se aplica a aquellas seales externas al sistema de medida. Algunas de las entidades ms importantes que regulan los procedimientos y equipos para la medicin de seales bioelctricas tanto para la proteccin de los pacientes y la buena calidad de los registros son:

IEC: International Electrotechnical Committee.

ANSI: American National Standards Institute.

AAMI: Association Advancement of Medical Instrumentation.

AHA: American Heart Association.

BSI: British Standards Institute.

ISEK: Internacional Society of Electrophysiological Kinesiology.

Algunos cdigos y estndares importantes son:

IEC: International Electrotechnical Comitee.

NFPA 99: Standards for Health Care Facilities.

ANSI/AAMI ES1-1993: Safe Current Limits for Electromedical Apparatus.

BS 5724: Electrical Safety of Medical Equipment.

3.1.1ECG El espectro de seal se extiende desde 0.01Hz hasta los 150Hz. Un resumen de los requerimientos de un ECG segn los estndares de la ANSI AAMI EC11-1991:

Exactitud en la Ganancia: +/- 5% para selecciones de control de ganancia de 20mm/mV, 10mm/mV y 5mm/mV .

Error del sistema: Para seales de entrada limitadas a +/-5mV y un Slew Rate de 125mV/s, el error mximo permitido es +/-10%.

Ruido del sistema: 40mV cuando todas las entradas estn conectadas juntas.

Respuesta en la Frecuencia: AHA recomienda un ancho de banda de 0.05Hz a 100Hz (+0.5dB,-3dB).

Filtro paso Alto: 0.05 y 0.5Hz de seleccin en software

Filtro paso Bajo: 40, 100, 300Hz de seleccin en software.

Sensibilidad : 2.44mV

CMRR: >110dB a 50/60 Hz.

3.1.2 EMG La electromiografa consiste bsicamente en la adquisicin, registro y anlisis de la actividad elctrica generada en nervios y msculos a travs de la utilizacin de electrodos (superficiales, de aguja, implantados). Las mediciones extradas de EMG proporcionan una informacin valiosa acerca de la fisiologa y los patrones de activacin muscular El rango de frecuencia de estas seales es mayor que las ECG y EEG, van de 100 a 10kHZ, y de ms alta amplitud, los problemas de acondicionamiento son menos severos. El filtrado supera en gran medida problemas de interferencia. Un filtrado por encima de 20Hz puede reducir los potenciales de la piel y seales de otros movimientos. Se recomienda eliminar las frecuencias inferiores de 2 a 5 Hz. Para seales EMG las especificaciones mnimas para el registro segn la Sociedad Internacional de kinesiologa Electrofisiolgica (Internacional Society of Electrophysiological Kinesiology) son:

Sensibilidad: 1 pV/div. a 10 mV/div.

Impedancia de entrada: 100 M//47 pF.

CMRR a 50 Hz > 100 dB.

Filtro de paso alto: entre 0,5 Hz y 3 kHz (6 dB/octava).

Filtro de paso bajo: entre 0,1 y 15 kHz (12 dB/octava).

Ruido: (1 pV eficaz entre 2 Hz y 10 kHz con la entrada cortocircuitada).

Ganancia de amplificacin: 200- 100.000 10% en crementos discretos.

3.1.3 EEG La caracterstica especial de un amplificador EEG es que debe amplificar seales muy pequeas. Las frecuencias de estas ondas se mueven entre 0,5 y 100 Hz y dependen mucho del grado de actividad de la corteza cerebral. La mayora de las veces estas ondas no poseen ninguna forma determinada, en algunas son ritmos. Tambin debe tener un ruido trmico bajo y en particular un ruido electrnico bajo al final de la amplificacin. Debe ser aislado, el filtro pasa banda debe tener una respuesta total de, debe proveer por lo menos -18dB por octavo de atenuacin de seales afuera del pasa banda, la respuesta en frecuencia del amplificador debe ser al menos de 50-60dB debajo de 60 Hz. Dado que gran parte de la informacin de inters en el EEG reside en las bandas de frecuencia por debajo de 40 Hz, filtros pasa bajos en el amplificador pueden utilizarse para reducir grandemente el ruido de 60 Hz. Las seales elctricas del cerebro que actualmente se pueden monitorear e identificar son categorizadas como se muestra a continuacin:

Alpha: Para una persona despierta y en estado de relajacin. Describe una actividad elctrica de 8-12Hz, tpicamente de 20 a 50 uV.

Beta: Cuando una persona est pensando o respondiendo a algn estmulo. De 14 a 25Hz. Y de ms baja amplitud.

Theta: Cuando la persona est dormida. De 4 a 8Hz, pueden ser de ms de 20uV.

Delta: En estado profundo de sueo. De 0.5 a 4 Hz.

4. ANALISIS Con respecto a los requerimientos dados en la seccin anterior, los filtros diseados, para los instrumentos biomdicos deben cumplir con varias caractersticas para obtener una seal viable para el proceso de medicin y su posterior diagnstico. Estos instrumentos presentan en comn varios aspectos que afectan la medicin de la seal, que se hacen importantes de acuerdo al caso y a las caractersticas de la seal como su amplitud y espectro de frecuencias. Un caso importante es el filtrado por las interferencias en la lnea de potencia que ocurre

a 60Hz y ruido por elementos elctricos a 100 Hz. Para el caso del ECG, su rango de frecuencias va desde 0.01 -150 Hz, por tanto para el tratamiento de estas frecuencias, 60 y 100Hz, se requiere un filtro notch con una alta selectividad de mnimo tercer orden en un solo amplificador. Se toma en cuenta este diseo en comparacin con el filtro notch a partir de la unin de un filtro pasa bajos y pasa altos, por su respuesta plana en todo el rango de frecuencias. El segundo filtro presenta diferentes ganancias en ciertas bandas de frecuencia, lo que ocasionara errores a la hora del registro de la seal. Caso contrario con el EMG donde en ese rango de frecuencias,60 y 100Hz, existe informacin, por tanto resulta mucho ms viable el montaje en cascada del filtro notch para 60 y el filtro notch para 100, donde no se elimina por completo esa banda intermedia, y debido a su cercana el filtro debe de ser de gran selectividad. Para el caso de EEG, su rango de frecuencias no se ve tan afectada por el ruido que pueda generar el sistema elctrico, sin embargo el filtro notch es una sola etapa se hace necesario, lo que si se hace riguroso es la implementacin de un filtro pasa banda que cubra el rango de frecuencias de un orden superior para evitar los ruidos generados por el movimiento de los electrodos y la respiracin que se dan a bajas frecuencias. La seleccin de los filtros para todos los casos son aquellos con respuesta Butterworth, dado que se necesita una respuesta plana del filtro que no altere la seal muestreada y de un orden superior a tres para facilitar la eliminacin de las frecuencias de transicin. El ruido generado por los propios elementos elctricos se trabaja con un valor CMRR alto.

5. CONCLUSIONES El diseo de los filtros, cumple un papel importante para el tratamiento de seales bioelctricas dada la gran influencia que presenta el ruido en ellas por su pequea amplitud. Profundizar sobre el origen de estas perturbaciones para la realizacin de mejores equipos mdicos es de gran importancia en la obtencin de una medida aceptable para el diagnstico mdico. Por tanto estos filtros deben cumplir con varias caractersticas como una gran selectividad en el caso de los filtros notch, una respuesta plana que se dan con la respuesta del filtro, la pendiente de cada pronunciada lograda un orden mayor y por supuesto una ganancia superior para la manipulacin de la seal. La seleccin de un diseo sobre otro se basan en las caractersticas que tiene la seal bioelctrica en las distintas reas de inters donde la seleccin de un filtro sobre otro influye sobre la informacin que se puede obtener.

6. BIBLIOGRAFIA [1] Notas de clase, bioingeniera, Filtrado de la seal de un ECG Ing Jaime Bentez

[2] Diseo de filtros biomdicos basado en el diseos de Hilburn, Jhon

[3] Acondicionamiento se seales bioelctricas, Lorena lvarez Osorio, Universidad Tecnolgica de Pereira 2007

[4] Introduccin a la Ingeniera Biomdica, Alexander Ariza, Universidad Pontificia Bolivariana 2009

[5] Mtodos de procesamiento y anlisis de seales electromiogrficas L. Gila, A. Malanda, I. Rodrguez Carreo, J. Rodrguez Falces, J. Navallas

[6] Dalcame.com [Online] www.dalcame.com/emg.html#.UypwS6h5NL0