ANALIZĂ COMPARATIVĂ A UNDELOR CARDIACE ÎN CONDIȚII NORMALE ȘI DE EFORT PRIN INTERMEDIUL EKG [311721]

[anonimizat] A UNDELOR CARDIACE ÎN CONDIȚII NORMALE ȘI DE EFORT PRIN INTERMEDIUL EKG

ENUNȚUL TEMEI:

Analiza comparativă a undelor cardiace în condiții normale și de efort prin intermediul EKG

CONȚINUTUL proiectului de diplomă/lucrării de disertație

Piese scrise

Piese desenate

LOCUL DOCUMENTĂRII:

Departamentul de Mașini și Acționări Electrice din UTC-N

CONDUCĂTORI ȘTIINȚIFICI:

Ș.l.dr.ing. Mircea Bojan

Asist.drd.ing. Norbert Szekely

Data emiterii temei: 15.09.2019

Termen de predare: 05.07.2020

[anonimizat],

Ș.l.dr.ing. Mircea BOJAN Mihaela PLITEA

Asist.drd.ing. [anonimizat]: Deoarece acest proiect de diplomă/lucrare de disertație nu ar fi putut fi finalizat fără ajutorul membrilor departamentului de Mașini și Acționări Electrice și a [anonimizat].

Data: 30.06.2020 Semnătura

Mihaela PLITEA

CUPRINS

1. INTRODUCERE

Descoperirea electrocardiogramei (EKG) și aducerea acesteia la pragul de funcționalitate a necesitat un timp îndelungat. Procesul s-a desfășurat pe parcursul mai multor ani și a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], indispensabile în toate unitățile medicale. [anonimizat], fiziologilor, potrivite „cap la cap”, [anonimizat].

Suplimentar, pentru a [anonimizat], [anonimizat], a crescut de la 720.5%ooo locuitori la 865.4%ooo locuitori. Studiul a fost efectuat pentru anii 2007-2016, [anonimizat], [anonimizat], [24].

[anonimizat] (2016), [anonimizat], [25].

Desigur că aceste cercetări se pot extinde și la nivel european. În statistica realizată în 2016 [anonimizat] U.E, bolile cardiace ischemice reprezintă prima cauză la bărbați și a doua la femei, [26].

Studiile finalizate la o [anonimizat] o facultate deschizătoare de drumuri în mai multe domenii, i-au oferit autorului prezentei lucrări cunoștințele necesare în încercarea de a implementa și de a aprofunda electrocardiograful. [anonimizat] l-au însoțit de-a lungul anilor de liceu și l-au îndemnat a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. Însușindu-și o parte dintre informațiile acumulate în ultimii doi ani din cadrul specializării de Electronică de Putere și Acționări Electrice, autorul acestui proiect a încercat să construiască un dispozitiv din domeniul medical, îmbinând astfel, lucrurile învățate cu pasiunea ce l-au însoțit și pe parcursul acestor 4 ani.

Obiectivul acestei lucrări constă în realizarea unei analize comparative între formele de undă cardiace monitorizate în condiții normale și în condiții de efort, subiectul alergând pe o bandă. Pentru obținerea scopului final, a fost nevoie de conceperea unui echipament de monitorizare a bătăilor inimii. Teoretic, acesta constă dintr-un ansamblu de mai multe componente: placa de dezvoltare ”Arduino”, circuitul imprimat (PCB) cu un amplificator operațional de tipul LM324, un osciloscop și electrozi pentru culegerea semnalelor provenite de la sistemul cardiovascular. Echipamentul utilizat în monitorizarea bătăilor inimii în condiții de efort constă dintr-o bandă de alergare acționată prin intermediul unui motor de curent continuu, controlat de placa ”Arduino” prin două butoane ce modifică turația și printr-un modul de ”driver” cu motoare L298N, ce permite schimbarea sensului de rotație. Bineînțeles că pentru cea de-a doua parte, acest echipament s-a dezvoltat doar în stadiul experimental, urmând ca în viitor, să se realizeze construirea benzii de alergare propriu-zise.

Lucrarea de față este împărțită în patru capitole: introducerea, considerațiile teoretice, lucrarea practică propriu zisă și concluzii referitoare la studiul de cercetare realizat.

Capitolul al doilea, împărțit în mai multe subcapitole, cuprinde toate noțiunile teoretice ce au fost necesare la realizarea părții practice. Aceste noțiuni servesc drept scop informativ și aduc un plus de informație cititorilor, legate, pe de o parte, de anatomia corpului uman: studiul sistemului circulator, a electrozilor și a culegerii semnalelor electrofiziologice, și pe de altă parte de aplicabilitatea unor noțiuni de inginerie în domeniul medical.

Al treilea capitol cuprinde pașii urmăriți în realizarea părții practice, cu scopul de obținere a unor rezultate concrete. Aici s-au adus informații despre amplificatorul operațional integrat pe circuitul imprimat (PCB), pașii de execuție în crearea PCB-ului, de la stadiul de concept la stadiul fizic, precum și realizarea acționării motorului de curent continuu cu ajutorul platformei ”Arduino”.

Capitolul patru sintetizează concluziile despre întregul proces de realizare a acestei lucrări de diplome, pe parcursul unui an de zile. În ultimele 5 luni, din cauza situației cauzate de pandemie, cercetarea teoretică s-a desfășurat departe de instituția de învățământ, implicit de laboratorul care servea drept mediu de lucru.

2. CONSIDERAȚII TEORETICE

În capitolul de față sunt prezentate succint noțiunile teoretice referitoare la anatomia corpului uman ca: studiul sistemului circulator, a electrozilor și a culegerii semnalelor electrofiziologice, precum și câteva noțiuni de inginerie cu aplicabilitate în domeniul medical referitoare la tema abordată în prezentul proiect de diplomă.

2.1. Noțiuni generale despre sistemul cardiovascular

Prin intermediul acestui subcapitol se precizează câteva aspecte mai importante referitoare la structura și funcționarea inimii respectiv la ciclul cardiac.

2.1.1. Structura și funcționarea inimii

Rolul major al aparatului cardiovascular este de a asigura celulelor din organism substanțele nutritive și oxigenul, prin circulația sângelui și a limfei. Elementul de bază al acestui sistem este inima, a cărei formă triunghiular-piramidală îi permite amplasarea în mediastin (cavitatea toracică cuprinsă între plămâni). În medie, greutatea acesteia este între 250 și 300 g, iar volumul aproximativ de dimensiunea pumnului drept. Prezintă o față sterno-costală și o față diafragmatică, cele două unindu-se prin marginea dreaptă, [1].

Cavitățile inimii sunt în număr de 4: atriul drept, atriul stâng, ventriculul drept, ventriculul stâng. Atriile, de formă aproape cubică, sunt situate la baza inimii, în timp ce ventriculele, de aceeași formă cu a inimii propriu-zise, sunt situate spre vârf, [1].

Din punct de vedere structural, inima prezintă 3 învelișuri și anume: epicardul, miocardul și endocardul. Epicardul se află situat la exterior, cu rolul de acoperire completă a inimii. Miocardul este format din 2 părți: miocardul adult, cu țesutul contractil sau de execuție miocardul embrionar ce conține țesutul nodal sau de comandă. Țesutul contractil este format din mușchi striați din punct de vedere morfologic, dar a căror contracții automate și involuntare reprezintă caracteristicile funcționale ale unui mușchi neted. Mușchii atriilor sunt total separați de mușchii ventriculelor, iar legătura structurală și funcțională este asigurată de țesutul embrionar, în a cărui structură sunt cuprinse: nodulul sino-atrial, nodulul atrio-ventricular și fasciculul Hiss. Endocardul reprezintă ultima tunică, situată în interiorul inimii. Acesta căptușește în mod neîntrerupt încăperile inimii, singura delimitare fiind între partea stângă a inimii și partea dreaptă, [1].

Din punct de vedere funcțional, inima poate fi privită ca un ansamblu de 2 structuri înseriate în circuitul sanguin și conectate prin circulația pulmonară și sistemică. Deoarece rolul principal de pompare a sângelui îi revine acesteia, cele 2 structuri pot fi considerate ca două pompe, ce lucrează în mod sincron. Structura dreaptă, prin transmiterea sângelui neoxigenat de la inimă la plămâni realizează circulația pulmonară sau mica circulație. Structura stângă asigură cantitatea de sânge necesară întregului organism, realizând circulația sistemică sau marea circulație. După cum se observă și în Figura 2.1, circulația sanguină este unidirecțională datorită a două elemente: valvele atrio-ventriculare (mitrală, tricuspidă) și sistemul de valve semilunare, care interzic reîntoarcerea sângelui în ventricule, după ce acesta ajunge în cele 2 artere (artera aortă, respectiv artera pulmonară), [2].

Fig. 2.1. Schema bloc a circuitului cardiovascular, [2].

Circulația pulmonară începe din atriul drept unde este adus sângele venos din organism prin cele 2 vene cave. Vena cavă superioară colectează sângele din partea superioară a corpului (creier, cap, gât, membrele superioare și torace), iar vena cavă inferioară îl colectează atât de la membrele inferioare, cât și de la organele aflate în partea inferioară a corpului (rinichi, glandele suprarenale, organele sexuale, ficat), [1].

Nodulul sinoatrial din peretele atriului drept, aflat în imediata vecinătate a joncțiunii venei cavă superioară, generează impulsuri de depolarizare, iar celulele atriale efectoare, vor răspunde acestui stimul prin contracție, care se propagă dinspre dreapta sus spre jos. Contracția determină deschiderea valvelor atrioventriculare, iar sângele este transferat în ventriculul drept. Presiunea în ventricul va crește datorită cantității de sânge expulzate din atriul stâng, iar valvele atrio-ventriculare se închid. Contracția cauzată de nodulul atrial nu se poate transmite direct, din aproape în aproape până la nivelul celulelor ventriculare, deoarece acestea sunt separate de atrii printr-un țesut conjunctiv-fibros. Astfel, transmiterea contracției are nevoie de anumiți intermediari: nodulul atrio-ventricular situat în partea posterioară a septului interatrial, care se continuă cu fasciculul Hiss și rețeaua Purkinje, a căror rol este de a transmite depolarizarea celulelor atriale prin conducție directă până la celulele musculare ventriculare, care se vor depolariza aproape sincron. Presiunea crescută va determina deschiderea valvelor sigmoide, iar sângele va fi împins spre arterele pulmonare, care vor transporta sângele neoxigenat spre plămâni. De la plămâni, sângele acum oxigenat în urma schimburilor de gaze de la nivelul alveolelor pulmonare se va întoarce în atriul stâng prin venele pulmonare, [3].

În aceleași condiții expuse mai sus se desfășoară și circulația sistemică, în mod sincron cu cea pulmonară, care își are punctul de start în atriul stâng. Sângele oxigenat trece din atriu în ventricul, presiunea va crește și va determina închiderea valvulelor atrio-ventriculare și deschiderea celor aortice, astfel încât sângele va intra în artera aortă și va fi transmis în întreg organismul, [3].

2.1.2. Ciclul cardiac

Ciclul cardiac, sau revoluția cardiacă, este o succesiune de sistole și diastole ale miorcardului, [1].

În timpul acestuia, volumul inimii se modifică, lucru demonstrat în articolul “Total heart volume variation throughout the cardiac cycle in humans”, elaborat de M. Carlsson și colaboratorii, publicat pe data de 11 martie 2004 în “American Journal Physiol Heart Circ Physiol 287”.

Sistola reprezintă starea de contracție a mușchiului cardiac, în timp ce diastola caracterizează starea total opusă sistolei: relaxarea celulelor musculare. Din cauza propagării întârziate a impulsului electric de la atrii spre ventricule, prin țesutul conjunctiv- fibros (nodulul atrio-ventricular), se creează un defazaj între cele 2 sistole. Prima etapă într-un ciclu cardiac este sistola atrială. Timp de 0.1 s, presiunea în atrii crește, iar sângele pentru că nu se poate întoarce spre venele prin care a fost adus în atrii datorită unor contracții ale fibrelor musculare, este împins spre ventricule. După încheierea acestui pas, revoluția cardiacă se continuă cu diastola atrială ce durează 0.7 s. Concomitent cu diastola atrială se realizează sistola ventriculară, pe o perioada de 0.3 s. Aceasta se desfășoară în 2 faze. În prima fază, cea de contracție izovolumetrică, are lor creșterea presiunii ventriculare. Această fază se datorează închiderii valvelor atrioventriculare și prezenței valvelor semilunare deja închise. În faza a doua, faza de ejecție, celulele sanguine sunt transmise din ventricule în artere prin deschiderea valvelor semilunare, pentru a fi transferate la plămâni și în restul corpului. Ciclul cardiac se continuă cu diastola ventriculară, de 0.5 s. Presiunea începe să scadă la o valoare inferioară celei din artere, iar valvele semilunare se închid. În momentul în care presiunea intra-ventriculară are valori mai

mici decat cea atrială, valvele atrio-ventriculare se deschid și se instalează diastola generală pentru 0.4 s, în care atriile se umplu cu sânge venos. Revoluția cardiacă se reia apoi cu sistola atrială, [1].

2.2. Culegerea semnalelor electrofiziologice

În cadrul acestui subcapitol sunt prezentate noțiunile mai relevante referitoare la electrozii utilizați pentru măsurarea semnalelor bioelectrice, precum și la caracteristicile tehnice ale acestora.

2.2.1. Electrozi. Potențialul de electrod

Culegerea semnalelor electrofiziologice de la diverse organe presupune parcurgerea mai multor etape pentru obținerea concretă a unui semnal electric. Aceste etape sunt în număr de 3: amplificare, prelucrare și redare, [2].

Semnalul bioelectric emis de sursă este captat prin intermediul electrozilor, amplificat în concordanță cu adaptabilitatea la caracteristicile sursei și a electrozilor, urmând apoi a fi prelucrat cu scopul de a se obține informații concrete despre sursa de semnal și redat, în ultima etapă, prin afișarea mărimilor dorite, [2, 3].

Potențialul de electrod este o diferență de potențial care se stabilește între 2 electrozi utilizați pentru culegerea biopotențialelor și electrolitul din jurul lor. Electrolitul, reprezentat de un țesut muscular propriu zis, permite conducția electrică a ionilor, iar electrozii metalici, a electronilor. Există, așadar, o mare probabilitate de producere a unei difuzii la nivelul suprafeței de contact dintre cele 2 elemente deoarece ionii tind spre metal și electronii spre electrolit. Din acest motiv vizibil, au loc reacții care permit transformarea conducției ionice în conducție electronică și vice-versa, până se va ajunge la un echilibru chimic, [2, 3].

Astfel, la suprafața de separare dintre electrozi și electrolit se produc reacții de oxido-reducere. Reacțiile de oxidare sunt reacții în urma cărora au loc pierderi de electroni, iar în urma celor de reducere, câștiguri de electroni. De regulă, orice reacție de oxidare este însoțită de una de reducere, între ele stabilindu-se o relație bazată pe un transfer de electroni. Acest transfer se realizează de la agentul reducător, adică de la reactantul care se oxidează și cedează electroni, la agentul oxidant, adică reactantul care se reduce și acceptă electroni. Aceste reacții de oxido-reducere conduc la crearea unui dublu strat de sarcini la suprafața dintre electrod și țesut, [3].

În cazul electrolitului, conducția se realizează și prin ionii pozitivi, dar și prin cei negativi. Este de subliniat faptul că doar o anumită cantitate din numărul total de ioni din aceeași

categorie este utilizată pentru a realiza transportul electric. Reacțiile chimice din cadrul proceselor biologice depind de concentrația ionilor de hidrogen ai mediului respectiv, [3].

În cazul metalului din care sunt confecționați electrozii, cedarea de electroni este influențată, pe de o parte, de pH-ul electrolitului cu care electrozii iau contact și pe de altă parte de ionii aflați în electrolit și în raport cu metalul, [3].

2.2.2. Zgomotul și impedanța electrozilor

În circuitul de măsurare a semnalului bioelectric se întâlnește impedanța de polarizare a electrodului, dependentă de natura stratului dublu electric amintit mai sus. Este necesar a se ține cont de totalitatea impedanțelor care intervin în circuit, pentru a alege în mod optim și corect caracteristicile amplificatorului în funcție de amplitudinea și frecvența semnalului captat de către electrozi, [3].

Făcând o analogie între elementele unui circuit electric și structura circuitului de măsurare a semnalului bioelectric, interfața electrod – țesut poate fi considerată o sursă de tensiune, stratul dublu electric creat datorită reacțiilor de oxido-reducere, un condensator, iar datorită fluctuației curentului prin interfața electrod- țesut se adaugă și o rezistență în paralel cu condensatorul. Prin prezența elementelor capacitive, impedanța electrozilor plasați pentru culegerea semnalelor va scădea o dată cu creșterea frecvenței. Sursa de tensiune va fi o sursă cu zgomote, indiferent dacă cei doi electrozi sunt confecționați din același material sau dacă sunt de aceeași dimensiune, deoarece va exista o diferență de potențial între cei doi egală cu o tensiune constantă, [3].

Atât rezistența, capacitatea electrodului, cât și potențialul de electrod sunt elemente instabile în culegerea semnalelor, ce determină variații chiar și la nivelul aceluiași pacient pe o perioadă de timp, [2].

Totuși, pentru obținerea unei înregistrări a semnalului bioelectric, impedanța dispozitivului de înregistrare trebuie să fie mai mare decât impedanța electrozilor deoarece curentul de intrare va fi mic și va determina o valoare minimă a căderii de tensiune pe suprafața dintre electrod și electrolit. În cazul în care impedanța dispozitivului va fi mai mică decât a electrozilor, atunci curentul va fi mai mare și va determina o cădere de tensiune cu o valoare mai mare, care poate să producă o distorsionare a semnalului bioelectric, [2].

Electrozii de argint sau clorură de argint sunt utilizați frecvent datorită capacității de reproducere precise a formei de undă, comparativ cu cei confecționați din oțel inoxidabil, [2].

În Figura 2.2 se prezintă circuitul echivalent pentru culegerea semnalelor electrofiziologice cu ajutorul electrozilor de suprafață și sursa de semnal bioelectric la intrarea în preamplificator, [2].

Pentru a stabiliza potențialul de electrod, de regulă, se folosește pasta electroconductivă, care conține soluție de clorură de sodiu sau de potasiu, apă, glicerină, piatră ponce, chiar și praf de cuarț. Elementul abraziv are rolul de a reduce impedanța dintre electrod și țesut, [2].

Înainte de aplicarea pastei conductoare, pielea trebuie degresată foarte bine cu alcool și apoi curățată cu glaspapir fin pentru eliminarea oricăror impurități care pot duce la instabilitatea impedanței dintre pastă și piele, [2].

În afară de pasta electroconductivă, se mai poate utiliza hârtie de filtru sau o bucată de tifon îmbibată în soluție salină, [3].

Fig. 2.2. Circuitul echivalent pentru culegerea semnalelor electrofiziologice cu ajutorul electrozilor de suprafață și sursa de semnal bioelectric la intrarea în preamplificator, [2].

2.2.3. Tipologia electrozilor

Din punct de vedere constructiv există 3 categorii de electrozi: de suprafață, aplicați în profunzime și microelectrozi, [2].

Electrozii de suprafață sunt cei care se plasează direct pe piele, iar pentru limitarea zgomotelor și perturbațiilor semnalelor se aplică înainte o pastă conductoare, hârtie de filtru etc. În funcție de tipul de aplicație pentru care se dorește culegerea semnalelor bioelectrice, se găsește o gamă largă de electrozi, de forme, materiale și dimensiuni diferite. În cazul electrocardiografiilor se utilizează, cu precădere, electrozii rectangulari, circulari sau cu sucțiune, numiți, de altfel, și electrozi precordiali. Pot fi confecționați fie din metale prețioase (aur, argint, platină), fie din aliaje nepretențioase (oțel inox, nichel-argint), deoarece acționează în același mod, indiferent de material, [2].

Pentru culegerea semnalelor bioelectrice de la nivelul creierului (electroencefalograma) se aleg electrozii sub formă de disc, confecționați din argint, sau cei cu joncțiune lichidă, care sunt de unică folosință, [2].

Există o gamă variată și pentru electrozii aplicați în profunzime. Spre exemplu, pentru monitorizarea activității electrice a creierului în timpul unei operații se folosesc sondele Nelaton, de formă sferică, din argint, care culeg potențialele direct de la nivelul cortexului Pentru măsurări în curent continuu în țesuturi se utilizează electrozii nepolarizați, realizați dintr-o pipetă, dar a căror valori a diferențelor de potențial ajung până la 10 mV. Un alt tip sunt cei multipli, pentru măsurări de profunzime diferită, alcătuiți din sârmă de cupru argintat fixată pe un tungsten. După cum se observă, impendanța este dependentă atât de suprafața cu care ia contact electrodul, cât și de materialul din care este confecționat, [2].

2.3. Noțiuni generale despre EKG (Electrocardiogramă)

Acest subcapitol subliniază într-o formă sintetizată unele informații referitoare la culegerea semnalelor electrofiziologice și interpretarea lor.

2.3.1. Obiectivele utilizării EKG

Electrocardiograma, sau altfel spus EKG-ul – după denumirea sa științifică, reprezintă înregistrarea activității electrice a inimii, cu ajutorul electrozilor, pe o hârtie specială, gradată. EKG-ul este utilizat pentru obținerea unui diagnostic în cazul pacienților care acuză dureri în zona pieptului, amețeală, episod de infarct etc. Scopul principal este de a oferi personalului

medical o imagine mai clară asupra mușchiului inimii pe durata unui întreg ciclu cardiac. Schimbarea activității electrice poate indica o afecțiune a miocardului, supus unor episoade de hipertensiune arterială, infarct, embolism pulmonar, [4] .

Electrocardiograma măsoară activitatea miocardului prin amplificarea sunetului semnalului electric care propagă mușchii pieptului și prin înregistrarea grafică a sunetului amplificat, sub formă de unde, [5].

Totodată, este o metodă standard, neinvazivă și utilă pentru screening-ul stării de sănătate a pacientului, capabilă să ofere și alte informații, precum cele legate de ritmul și poziția inimii, efectele unor medicamente asupra activității mușchiului, originea impulsului și propagarea acestuia etc. Aceasta este considerată “standardul de aur’’ pentru diagnosticul dereglărilor de ritm și de conducere a impulsului nervos, [6].

EKG-ul este utilizat, de asemenea, atât înaintea operațiilor chirurgicale, pentru a identifica potențialele riscuri la care se pot aștepta medicii în timpul operației, cât și după efectuarea acestora pentru a monitoriza stabilitatea inimii, în urma intervențiilor efectuate, [5].

2.3.2. Istoricul electrocardiogramei

Istoria EKG-ului a început în anul 1791, o dată cu publicarea lucrării ”Commentary on the Effects of Electricity on Muscular Motion” a lui Luigi Galvani, doctor și profesor de anatomie, care, în urma cercetărilor sale științifice pe amfibieni, a ajuns la concluzia conform căreia capacitatea mușchilor de a se contracta se datorează în totalitate creierului, deoarece transmite prin intermediul nervilor, semnal electric, [7].

În anul 1842, dr. Carlo Matteucci, profesor de fizică la Universitatea din Pisa, a pus bazele electrofiziologiei moderne, în urma experimentelor sale pe animale. În articolul publicat, acesta a descris consecința asupra căreia a ajuns și Luigi Galvani, și anume, curentul nu excită contracțiile dacă traversează normal un nerv, iar bătăile inimii sunt însoțite de o activitate electrică, [8].

Aceste două descoperiri, la 52 de ani distanță, sunt oferite drept bază solidă viitorilor oameni de știință pentru înțelegerea și aprofundarea cunoștințelor în acest domeniu, precum și pentru invențiile apărute ulterior.

Aproximativ 100 de ani mai târziu de la descoperirea teoriei ”electricității animale” a lui Galvani, Augustus Desiré Waller, un fiziolog britanic, a produs primul electrogram, testat atât pe animale, cât și pe oameni, cu ajutorul unor electrozi de suprafață amplasați pe partea din față și din spate a pieptului. Electrogramul a fost realizat cu un electrometru capilar, numit și electrometru Lippmann. Un fascicul de lumină întrerupt de coloana de mercur a electrometrului

a permis ca înregistrările fotografice să fie realizate pe niște plăci atașate unor vagoane ale unui tren de jucărie aflat în mișcare lentă, tocmai pentru a permite ca bătăile inimii să fie notate în timp real. Acest experiment a fost succesorul testelor efectuate pe cordul deschis a animalelor decapitate. Demonstrația a avut loc în anul 1887, în laboratorul St. Mary’s Hospital, în fața multor fiziologi, printre care și a profesorului Einthoven. Electrometrul capilar a putut demonstra prezența activității cardiace, dar semnalele, în schimb, au fost slabe și deflectate, incapabile de a oferi un diagnostic concluziv. Acest concept a avut nevoie, așadar, de o optimizare pentru a putea înregistra formele de undă corect, [9].

Dr. Willem Einthoven, medic și fiziolog olandez, folosindu-se, de asemenea, de electrometrul capilar, a reușit să surprindă cinci derivații, numindu-le inițial ABCD. Curbele printate astăzi pe hârtia EKG se datorează dr. Einthoven, care a introdus o corecție matematică asupra inerției sistemului capilar. Ulterior, a denumit formele de undă PQRST. În anul 1901 a introdus galvanometrul cu coarde, de o sensibilitate ridicată și cu o precizie mult mai bună, cunoscut mai târziu și sub denumirea de galvanometru Einthoven. Comparativ cu predecesorul său care a folosit cinci electrozi situați la periferia membrelor superioare, inferioare și în cavitatea bucală, și cu 10 derivații rezultate prin diverse combinări ale electrozilor, acesta a renunțat la cel de pe piciorul drept și din cavitate, numărul fiind restrâns la trei. Cu ajutorul lor, a implementat triunghiul Einthoven, o reprezentare grafică în plan frontal a derivațiilor bipolare rezultate prin combinarea celor trei electrozi de suprafață pentru citirea undelor cardiace, [10].

Mecanismul de funcționare a galvanometrului cu coarde constă dintr-un filament de cuarț acoperit cu argint – pentru a asigura conductivitatea curentului electric – aflat între 2 electromagneți. Filamentul este parcurs de curentul electric de la inimă, care datorită câmpului magnetic produs, creează o deviație a firului în funcție de sensul și de intensitatea curentului respectiv. Deplasarea firului este proiectată, prin intermediul unei fante subțiri, pe o hârtie fotografică fotosensibilă aflată în mișcare cu o viteză constantă. Galvanometrul Einthoven are o acuratețe crescută, dată de ajustarea filamentului prin strângerea sau slăbirea acestuia, de masa neglijabilă a corzii și, de asemenea, de capacitatea operatorului de a regla tensiunea în favoarea reglării timpului de răspuns. În schimb, defectul acestui galvanometru este gabaritul crescut, fapt pentru care companiile au dezvoltat, după Primul Război Mondial, dispozitive mult mai redus ca dimensiuni, dar care sunt mult mai manevrabile de către operatori. În anul 1924, Willem Einthoven a câștigat premiul Nobel în medicină și fiziologie pentru descoperirea mecanismului de funcționare a electrocardiografului, [11].

Electrograful a început să fie un dispozitiv indispensabil începând cu secolul al XX-lea.

2.3.3. EKG-ul standard. Tipuri de înregistrare a formelor de undă

Electrozii sunt amplasați pe suprafața pielii, cu scopul de a obține o imagine de ansamblu a inimii din mai multe unghiuri și secțiuni. Derivațiile corespund fiecărui electrod și au rolul de a monitoriza intensitatea tensiunii și direcția de descărcare a curentului prin inimă la un moment specific. EKG-ul standard cu 12 derivații conține, pe de o parte, derivațiile membrelor, plus derivația care se raportează la pământ, iar pe de altă parte, cele șase derivații precordiale. Astfel, nouă dintre derivații vor afișa activitatea electrică a miocardului, iar cea de-a zecea derivație va fi conectată la ground, nefiind parcursă de curent electric, [5].

Înregistrarea formelor de undă se poate face prin 3 metode neinvazive, diferența dintre ele fiind bazată pe intervalul de timp al monitorizării și prin condiția de efort la care este supus pacientul. În cadrul primei metode, înregistrarea activității cardiace se realizează la pacientul care stă așezat pe spate sau în poziția Fowler. Această metodă este utilizată atunci când personalul medical este interesat de modul în care funcționează inima în stare de repaus. A doua metodă, testul la stres, se realizează când pacientul care este supus unei condiții de efort: alergare pe bandă rulantă sau pedalare pe o bicicletă electrică staționară. Se preferă atunci când medicul dorește să observe cum se comportă inima în timpul unui efort fizic. A treia metodă constă în monitorizarea bătăilor inimii pe durata a 24-48 de ore. Aceasta se realizează cu ajutorul monitorului Holter, atașat pacientului, pe care este nevoit să îl poarte în mod continuu. Scopul acestui dispozitv este de a înregistra orice neregularitate a inimii, aritmii, dureri ale pieptului care se pot desfășura pe un interval de timp mai îndelungat, comparativ cu cele 10 secunde ale unui EKG clasic, [5].

2.3.4. Interpretarea unui EKG

2.3.4.1. Triunghiul Einthoven. Derivații.

Triunghiul lui Einthoven este o reprezentare grafică a conducției electrice cauzate de contracția mușchilor. Teoria lui se bazează pe derivațiile bipolare ale membrelor și pe delimitarea de axele acestora, cu alte cuvinte, are la bază studierea direcției pe care o urmează curentul prin inimă. O derivație bipolară utilizează doi electrozi, unul considerat pozitiv, iar celălalt negativ și înregistrează diferența de potențial între locurile în care sunt amplasați aceștia. Folosindu-se de cei trei electrozi de suprafață, Einthoven a creat, astfel, un triunghi echilateral pentru a surprinde aceste diferențe. Derivațiile care constituie triunghiul sunt derivațiile standard, care afișează activitatea electrică în plan frontal, [5].

Prima derivație (I) afișează diferența de potențial între electrozii amplasați bilateral: electrodul negativ pe brațul drept și electrodul pozitiv pe brațul stâng. Sensul de parcurgere al curentului prin inimă este de la brațul drept spre brațul stâng, adică, de la negativ la pozitiv. Axa în plan frontal este definită de unghiul de 0 grade, [5].

A doua derivație (II), este înregistrată între electrodul amplasat pe brațul drept și electrodul pozitiv amplasat la 60 de grade spre stânga față de acesta, pe piciorul stâng, [5].

A treia derivație (III), și ultima totodată, este cea care completează triunghiul lui Einthoven. Electrodul brațului stâng își modifică polaritatea, devenind negativ. Sensul curentului este de la electrodul negativ la cel pozitiv, amplasat la 120 de grade spre dreapta, pe piciorul stâng, [5].

Pe baza regulii triunghiului, Einthoven a enunțat legea potrivit căreia dacă se cunosc potențialele electrice a oricăror 2 derivații bipolare ale membrelor, atunci valoarea potențialului celei de-a treia derivație se determină ca sumă a celor 2 cunoscute deja. Ținându-se cont de semnele + și – ale derivațiilor, legea se rezumă la I+III=II, putându-se astfel construi orientarea în planul frontal, [12].

Derivațiile precordiale necesită comparativ cu cele standard, o atenție deosebită la poziționare, întrucât o amplasare greșită a unui electrod poate însemna o eroare, și deci, un diagnostic greșit al pacientului. Sunt numerotate de la V1 la V6, [5].

2.3.4.2. Undele cardiace

Atunci când nodulul sinoatrial (pacemaker-ul inimii) generează impuls electric, atriile se vor contracta, afișând pe hârtia EKG o undă cu aspect simetric. Această undă poartă denumirea de unda P, și apare în momentul depolarizării atriilor, cu alte cuvinte, reprezintă momentul sistolei atriale. Are o deflexiune pozitivă față de linia izoelectrică, iar durata acesteia este între 0.06 și 0.12 secunde, [5].

Repolarizarea atriilor este urmată de unda Ta, dar fiindcă se suprapune cu complexul QRS este greu vizbilă, [12].

În continuarea undei P se află unda Q care corespunde depolarizării septului interventricular, pulsul electric propagându-se de la nodulul sinoatrial la nodulul atrioventricular și de acolo de-a lungul rețelei Purkinje, situată în pereții ventriculelor. Unda Q este negativă față de linia izoelectrică, cu o durată mai mică de 0.04 secunde. Este prima dintre undele care formează complexul QRS și cea mai mică, totodată, [5].

Unda R reprezintă depolarizarea miocardului ventricular, adică impulsul generat de nodulul sinoatrial contractă pereții propriu-ziși ai ventriculelor. Alături de unda Q și S, face parte din ciclul depolarizării ventriculare. Este pozitivă și se formează la sfârșitul diastolei ventriculare și începutul sistolei. Amplitudinea și durata se stabilesc în cadrul complexului QRS, întrucât variază în funcție de derivații, [5].

Unda S, predecesoarea undei R este ultima care formează complexul QRS. Este mică, cu deflexiune negativă, și reprezintă depolarizarea rețelei Purkinje. Aceasta acoperă porțiunea de timp rămas, necesar depolarizării ventriculare, cunoscută și sub denumirea de sistolă atrială, [5].

Unda T, pozitivă și ușor asimetrică, având panta ascendentă mai lentă decât cea descendentă, corespunde momentului de repolarizare a ventriculelor. În timpul repolarizării, ventriculele se relaxează, adică intră în diastolă. Durata undei este între 0.04 și 0.08 secunde, [5].

Electrograful mai afișează o undă în continuarea celei T, numită unda U, care susține a reprezenta repolarizarea rețelei Purkinje. S-a descoperit faptul că această undă apare ca o consecință a toxicității medicamentelor sau a unui dezechilibru electrolitic. Atunci când apare are o durată și amplitudine mai mică față de succesoarea sa, [5].

2.3.4.3. Intervale. Segmente. Complexul QRS

Intervalul conține segmente și forme de undă și este definit ca fiind perioada de timp între două unde care completează un eveniment. Intervalul are în componența sa și liniile izoelectrice care nu prezintă nici o activitate cardiacă. Numărul total de intervale este de trei, două dintre ele sunt responsabile de afișarea depolarizării atriale și ventriculare, iar cel de-al treilea interval este folosit pentru a determina ritmicitatea și regularitatea bătăilor inimii, [5].

Intervalul P-RI conturează depolarizarea atrială și conține unda P și linia izoelectrică până la începerea undei Q. Cu toate că nu conține și unda Q, intervalul poartă denumirea de PRI. Are o durată de 0.12-0.20 secunde la adulți și apare înaintea complexului QRS. Intervalul Q-T este răspunzător de afișarea întregului ciclul de depolarizare și repolarizare ventriculară și cuprinde întregul complex QRS, unda T, dar și linia izoelectrică dintre unda Q și T. Este destul de greu de măsurat, dar nu ar trebui să depășească 0.4 secunde la bărbați și 0.44 secunde la femei. Prin intermediul ultimului interval, R-R se poate determina ritmul cardiac și regularitatea bătăilor prin măsurarea între două cicluri cardiace. Metoda de măsurare este de la vârful undei R a primului ciclu la vârful undei R al celui de-al doilea ciclu, [5].

Segmentul reprezintă perioada de timp fără nici o activitate electrică dintre unde. Altfel spus, segmentul este alcătuit doar din acele linii plate care pot să coincidă cu linia izoelectrică. Pe o înregistrare cardiacă normală, se disting trei segmente, [5].

Primul este segmentul PR, cuprins între sfârșitul undei P și începutul undei Q. Este asociat delay-ului de conducție dintre sfârșitul depolarizării atriale (observată prin unda P) și începutul depolarizării ventriculare (observată o dată cu începerea complexului QRS). Segmentul ST nu înregistrează nici o activitate electrică în timpul repolarizării ventriculare, deoarece celulele cardiace nu răspund stimulilor, ci se relaxează și se pregătesc pentru o nouă contracție. Acest segment este cuprins între sfârșitul undei S și începutul undei T. Segmentul ST reprezintă delay-ul de conducție dintre depolarizarea și repolarizarea ventriculară, Ultimul segment, TP, este asociat diastolei generale, în care atât atriile, cât și ventriculele se relaxează. Acesta începe la sfârșitul undei T și se termină la începutul unui nou ciclu cardiac, reprezentat de unda P. În cazul bătăilor normale, segmentul se suprapune cu linia izoelectrică. Dacă efortul fizic este intens, undele se modifică, iar segmentul poate să devină mai mic sau să dispară, [5].

Analiza complexului QRS este importantă pentru determinarea provenienței ritmului. Durata totală este între 0.06 și mai puțin de 0.12 secunde, timp în care are loc depolarizarea nodulului atrioventricular, a fasciculului Hiss, a rețelei Purkinje și a pereților ventriculari, [5].

În Figura 2.3 se observă reprezentarea schematică a formelor de undă discutate anterior, a intervalelor, segmentelor și complexului QRS.

Fig. 2.3. Reprezentarea schematică a undelor cardiace, a intervalelor, segmentelor

și complexului QRS, [5]..

2.4. Noțiuni generale de electronică de putere și acționări electrice cu aplicabilitate în domeniul medical

Prezentul subcapitol reprezintă punctarea unor noțiuni de inginerie electrică/electronică cu aplicabilitate în domeniul medical.

2.4.1. Variatorul de tensiune continuă de 4 cadrane

Variatoarele de tensiune continuă, prescurtate VTC, sunt convertoare de electronică de putere, care prin intermediul dispozitivelor de comutație (necomandate, semicomandate și comandate) realizează conversia energiei electrice de anumiți parametrii la intrare în eneegie de c.c. de alți parametrii la ieșire, [14]. Aceste variatoare mai poartă denumirea și de ”choppere”, deoarece transformă tensiunea continuă de la intrare în impulsuri dreptunghiulare la ieșire. Practic, tensiunea este parametrul reglabil prin care se realizează reglajul motoarelor de curent continuu, putând lua valori între 0 și valoarea tensiunii de alimentare. În mod ideal, variatorul conține dispozitive ideale, fără pierderi în comutație, realizând în mod instant trecerea de la starea de blocare la starea de amorsare. Acest lucru este însă pur teoretic, întrucât, în realitate există pierderi de comutație pe dispozitive, dar și un timp mort între cele două stări, în care curentul ajunge la valoarea zero, înainte de amorsarea dispozitivului. Convertoarele pot să lucreze în două regimuri: regimul de conducție permanentă și regimul de conducție întreruptă. Trecerea de la conducție permanentă la conducție întreruptă se poate realiza atât prin reducerea timpului de conectare, Tc, al dispozitivului sau a constantei de timp a circuitului, t, cât și prin creșterea tensiunii electromotoare, E. Cel din urmă regim este de evitat, deoarece caracteristicile mașinii de curent continuu inițial rigide, devin moi, iar controlul tensiunii prin unghiul de comandă se pierde. Condiția de limită între cele două regimuri este dată de formula (2.4.1), [13, 14].

(2.4.1)

Din punct de vedere topologic, VTC-urile se regăsesc sub 3 forme: de un cadran, de două cadrane și respectiv de patru cadrane. Variatoarele de două cadrane pot fi cu pulsuri unipolare de tensiune (+/- I, cu funcționare în cadranele I-II și III-IV), cât și cu pulsuri bidirecționale de tensiune (+/- U, cu funcționare în cadranele I-IV și II-III), [13].

VTC-ul de patru cadrane cu tranzistoare, din Figura 2.4, permite în plus, față de cel de două cadrane, și schimbarea polarității tensiunii de ieșire, pe lângă circulația curentului în sens

bidirecțional. Astfel, sarcina, reprezentată de un motor de curent continuu se poate roti în ambele sensuri, cu posibilitate de recuperare a energiei, [14].

Fig. 2.4. Schema unui variator de tensiune continuă de 4 cadrane

Din punct de vedere al comenzii, VTC-ul de patru cadrane poate funcționa în două moduri: cu pulsuri unidirecționale de tensiune, adică +/- I, sau cu pulsuri bidirecționale de tensiune, adică +/- U, [15].

Funcționarea în regimul +/- I înseamnă comanda individuală a dispozitivelor de comutație T1 și T2, care utilizează polaritatea pozitivă a tensiunii de alimentare Ud, de dispozitivele T3 și T4 care conectează polaritatea negativă a sursei de alimentare. Pentru cadranele I și II, de tensiune pozitivă, tranzistorul T4 va fi în conducție permanentă, iar comutatoarele T1 și T2 vor funcționa în antifază. În cadranul I, pentru a obține tensiunea de ieșire egală cu tensiunea de alimentare, vor conduce dispozitivele T1-T4, iar pentru valoarea de 0 a tensiunii de ieșire, adică sarcină scurtcircuitată, vor fi utilizate D1 și T4. În cadranul II, va conduce D2-D3 pentru o tensiune de ieșire egală cu Ud, și T2-D3 pentru tensiunea Us egală cu 0. Trecerea de la primul cadran la cel de-al doilea se realizează prin schimbarea regimului de funcționare a motorului de curent continuu, trecând de la regimul de motor la regimul de generator, în care viteza unghiulară ia valori negative. Astfel, se elimină posibilitatea unei conducții întrerupte, așadar pierderea controlului sarcinii. Pentru cadranele III și IV, de tensiune negativă de această dată, T2 va fi dispozitivul care va comuta în mod continuu, permițând comutatoarelor T3 și T4 să lucreze în antiparalel. Funcționarea în cadranul III presupune comutația lui T3-T2 pentru obținerea lui Us = -Ud și a lui D3-T2 pentru scurtcircuitarea sarcinii. În cadranul IV, comutația dispozitivelor D4-D1 permite obținerea tensiunii de ieșire egală cu tensiunea de alimentare, iar a T4-D1 pentru obținerea valorii de 0 a lui Us. Trecerea din cadranul III în cadranul IV se realizează prin aceeași metodă descrisă mai sus. Dezavantajul acestui mod de funcționare este reprezentat de utilizarea modului de comandă cu pulsuri bidirecționale de tensiune pentru a trece de la tensiunea pozitivă din cadranele I și II la tensiunea negativă din ultimele două cadrane. Acest fapt atrage după sine și utilizarea unei bobine de filtraj a curentului de dimensiuni mai mici față de cele utilizate la VTC de 4 cadrane cu funcționare +/- U, [13, 15].

Comparativ cu modul +/- I, regimul de funcționare cu pulsuri bidirecționale de tensiune presupune comanda simultană a dispozitivelor de comutație. T1 și T4 vor conduce în același timp cu T2 și T3, dar în antifază. Singura asemănare dintre cele două moduri de comandă este dată de trecerea din cadranele I și III în II și IV prin schimbarea regimului de funcționare al sarcinii, adică trecerea de la regimul de motor la cel de generator. Schimbarea cadranelor de la Us>0 (cadranele I și II) la Us<0 (cadranele III și IV) se realizează prin modificarea timpului de conectare Tc* al dispozitivelor. Pentru cadranele de tensiune pozitivă, durata de conectare va fi mai mare de 0.5, Tc*>0.5, iar pentru cele de tensiune negativă, Tc*<0.5. Avantajul acestui regim este faptul că se elimină, astfel, necesitatea schimbării modului de funcționare al VTC-ului, implicit a unei conducții întrerupte, dar dezavantajul este dat de utilizarea unei bobine de filtraj de dimensiuni mai mari decât la variatorul de tensiune continuă cu pulsuri +/- I, [13, 15].

Formele de undă ale tensiunilor și curenților variatorului de patru cadrane, care funcționează prin modul de comandă descris anterior, pot fi observate în Figura 2.5. Este, de asemenea, bine conturat modul de funcționare al tuturor dispozitivelor de comutație care lucrează simultan, [15].

Deși mașina de curent continuu este alimentată prin intermediul unui chopper, caracteristicile mecanice rămân liniare și rigide. În Figura 2.6 sunt reprezentate aceste caracteristici, regimurile de funcționare corespunzătoare fiecărui tip de cadran în parte, precum și cadranele de funcționare ale chopper-ului. Acestea din urmă diferă de cadranele de funcționare ale mașinii din cauza faptului că viteza unghiulară, W, se anulează în momentul în care tensiunea la ieșirea din VTC este în continuare pozitivă. Acest lucru presupune că tensiunea electromotoare, E, este mai mică decât tensiunea medie de ieșire, Umed, în regim de motor. În prima zonă de trecere din figură, marcată cu cifra 1, din cadranele I și II, mașina de curent continuu este antrenată de un cuplu extern M<M0. Energia mecanică introdusă de acest cuplu și energia electrică absorbită de la sursa de alimentare sunt consumate prin frecări și prin efectul Joule-Lenz pe rezistența motorului.

Fig. 2.5. Diagrama formelor de undă a curenților și tensiunilor VTC-ului de patru cadrane cu comandă în pulsuri bidirecționale de tensiune, cu funcționare în ambele cadrane, [15].

În zona de trecere din cadranele III și IV se aplică aceeași explicație, cu precizarea că tensiunea de alimentare, Ud, este de polaritate negativă, ceea va face ca motorul să se rotească în sens invers. Pe axa Ox (în figură fiind reprezentată prin zona 2) deși motorul este alimentat de la sursa de energie electrică, nu poate genera energie mecanică (viteza unghiulară este nulă), iar toată energia este consumată prin efectul Joule, [15].

Fig. 2.6. Caracteristicile mecanice ale motorului de curent continuu și cadranele de funcționare ale variatorului de patru cadrane care alimentează motorul, [15].

În zonele de trecere numerotate cu 3, adică cele dintre axa Ox și dreapta corespunzătoare lui Umed=0, sarcina va fi rotită de o putere mecanică exterioară, dar care se va consuma prin frecări. Energia electrică nu poate fi produsă din cauza faptului că tensiunea este nulă. În concluzie, doar în exteriorul acestor trei zone se poate realiza conversia energiei electrice în energie mecanică și invers, [13].

2.4.2. Modulul cu driver de motoare dual L298N

Acest modul de interfață cu motorul din Figura 2.7 este, de fapt, un circuit integrat care, prin intermediul comenzii date de platforma ”Arduino”, controlează motoare de curent continuu, motoare pas cu pas, releele ș.a.m.d. Din punct de vedere structural (Fig 2.8) este alcătuit dintr-o punte H, care în sine, este tocmai variatorul de patru cadrane descris în subcapitolul anterior. Cu toate că are în componența sa un regulator de tensiune, se utilizează și o sursă suplimentară de 5V, în cazul în care tensiunea de alimentare este mai mare de 12V, pentru a se evita distrugerea integratului, [16].

Fig. 2.7 Modulul cu driver de motoare dual L298N, [16].

Din punct de vedere funcțional modulul L298N lucrează cu curenți de până la 3A, respectiv cu tensiuni de până la 40 V. Datorită acestor specificații, este prevăzut cu protecție în cazul depășirii temperaturii maxime admisibile (protecție la supraîncălzire). Avantajul acestui modul este constituit de posibilitatea controlului vitezei a două motoare în mod simultan, prin intermediul pinilor ”ENA” (pentru motorul I), respectiv ”ENB” (pentru motorul II), care se conectează la pinii responsabili de logica PWM a plăcii ”Arduino”, [16].

Prin logica modulării în durată a impulsurilor (PWM) se realizează controlul vitezei motorului de curent continuu, și de asemenea, este și cea pe care se bazează și VTC-ul. Variabila Tc, care este durata de conectare, se modifică în funcție de tensiunea care se dorește a se obține la ieșire (viteză mare sau mică), iar durata de comandă T rămâne constantă. Acest control se poate realiza atât în circuit deschis, cât și în circuit închis, diferența dintre cele două este dată de modul în care se ține cont de curentul din indus, [17].

Astfel, există două tipuri: variator de tensiune continuă cu PWM de tensiune sau cu PWM cu reacție de curent (în circuit închis). În cadrul ”chopper-ului” cu PWM de tensiune, tensiunea de referință este comparată cu o undă purtătoare, de regulă de tip dinte de fierăstrău, diferența fiind reprezentată de mărimea de intrare a regulatorului bipozițional simplu, a cărui mărime de ieșire va fi întocmai logica de comandă: 0, dacă tensiunea undei purtătoare este mai mică decât tensiune de referință, respectiv 1 pentru cazul contrar. Tensiunea Ud, adică tensiunea de intrarea VTC-ului, precum și frecvența undei purtătoare, vor fi constante, singura mărime care variază fiind tensiunea medie, prin intermediul factorului de umplere (”duty cycle”). Tensiunea

de ieșire se obține prin înmulțirea logicii de comandă (0 sau 1) cu tensiunea Ud, [18].

Fig. 2.8. Structura internă a L298N, [16].

În cazul variatorului cu logica de comandă și reglare PWM cu reacție de curent, valoarea curentului de sarcină este comparată cu curentul de referință impus. Diferența dintre aceste două mărimi va reprezenta mărimea de intrare în blocul regulatorului bipozițional cu histereză, a cărui mărime de ieșire va fi tocmai logica PWM, după caz, 0 sau 1, după formula (2.4.2). Este necesar ca pulsația curentului să se mențină în interiorul bandei de histereză, [18].

(2.4.2)

3. APLICAREA NOȚIUNILOR TEORETICE

Acest capitol prezintă pașii urmăriți în realizarea părții practice, fiind aduse informații despre amplificatorul operațional care s-a integrat pe circuitul imprimat (PCB), pașii de execuție în crearea circuitul imprimat, de la stadiul de concept la stadiul fizic și pașii de execuție în acționarea motorului de curent continuu cu ajutorul platformei ”Arduino”, precum și rezultatele obținute în urma punerii în funcțiune.

3.1. Schema electrică de start în citirea și afișarea ritmului cardiac

În realizarea citirii și afișării ritmului cardiac pe un ecran LCD conectat la platforma ”Arduino”, precum și a undelor cardiace, atât în condiții normale (pacientul stă relaxat), cât și în condiții de efort (pacientul desfășoară activitatea fizică pe banda de alergare) pe osciloscop, cu ajutorul sondelor, s-a luat drept punct de plecare schema electrică din Figura 3.1.

Aceasta are în componență o placă de dezvoltare ”Arduino Uno R3”, un afișaj LCD de tip I2C, un amplificator INA128, un amplificator operațional LM741, un regulator de tensiune IC7805, un difuzor de sunet SP1, o diodă de tipul 1N4001, un LED, rezistențe cu valori cuprinse între 100Ω – 1MΩ și 2 condensatori de valori diferite (10 nF, respectiv 47nF), [19].

Fig. 3.1. Schema electrică pentru citirea și afișarea ritmului cardiac pe ecranul LCD.

Fiecare componentă din circuit are un rol propriu bine stabilit pentru atingerea scopului final. Astfel, regulatorul de tensiune de tipul 7805 este utilizat pentru a obține o tensiune

negativă de -5V, de la o baterie de 9V, pentru amplificatorul operațional 741, al cărui scop este, la rândul lui de a amplifica, după cum îi sugerează și numele, semnalele de frecvență foarte mică ce nu pot fi citite sau afișate pe ”display”. INA128 este un amplificator, care, în plus față de cel anterior, elimină perturbațiile/ zgomotele semnalelor achiziționate. LED-ul este folosit pe post de verificare: la fiecare puls, trece pe poziția de ON. Dioda 1N4001, poate fi înlocuită cu oricare altă diodă universală, întrucât este folosită pentru protecția plăcii ”Arduino”. Difuzorul este o componentă auxiliară, ce permite captarea sunetelor bătăilor inimii. Masele tuturor componentelor sunt raportate la electrodul de referință, care în majoritatea cazurilor, se fixează pe piciorul drept, conform triunghiului lui Einthoven, [19].

Blocul din schemă intitulat “plug input probes” sau în traducere liberă, mufe de intrare a sondelor, este destinat electrozilor utilizați în culegerea semnalelor provenite de la sistemul cardiovascular. Pentru o simplă testare în înțelegerea funcționării acestui sistem, se pot confecționa și manual, cu observația că precizia semnalului este mult mai redusă comparativ cu a electrozilor achiziționați, iar eroarea de măsurare mult mai mare. Materialele folosite constau în folii de aluminiu prinse cu ajutorul unor agrafe de birou, de care sunt conectate capetele neizolare ale unor cabluri de legătură, [19].

Având ca punct de plecare această schemă, în elaborarea acestui proiectului de diplomă s-a încercat comasarea celor două amplificatoare: INA128, respectiv 741. Prin urmare, acestea au fost înlocuite de amplificatorul operațional LM324, prezentat detaliat în subcapitolul următor, cu 4 porți de intrare-ieșire, obținând astfel o simplificare a schemei anterioare.

3.2. Arhitectura circuitului imprimat

Prin intermediul acestui subcapitol se face trecerea în revistă a informațiilor referitoare la amplificatorul operațional integrat pe circuitul imprimat (PCB), precum și pașii de execuție în crearea PCB-ului, pornind de la stadiul de concept și ajungând la realizarea fizică.

3.2..1 Amplificatorul operațional LM324

LM324 (Figura 3.2) este unul dintre cele mai utilizate amplificatoare, atât datorită costului redus de achiziție, cât și superiorității pe care o oferă față de restul produselor din această gamă, în cazul alimentării unice. Superioritatea sa este dată de scara largă a valorilor tensiunii de lucru. Astfel, acesta poate funcționa în intervalul de 3V și până la 32 V. Unul dintre avantajele majore este reprezentat de posibilitatea funcționării cu tensiune negativă, eliminând necesitatea unor componente externe de polarizare. Intervalul tensiunii electrice de ieșire include și sursa de alimentare cu tensiune negativă. Este folosit cu succes în multe aplicații, printre care în circuitele amplificatoare convenționale, în amplificatoarele traductoarelor și în blocurile de amplificare DC cu aplicabilitate în infrastructura wireless, domeniul aerospațial ș.a.m.d., [20].

Fig. 3.2. Reprezentarea simbolică a integratului LM324, [20].

În Figura 3.3 este reprezentată schema electrică a amplificatorului, cu accent pe conexiunile dintre cele patru amplificatoare operaționale integrate, precum și pe cele dintre componentele externe, regăsite și în Figura 4.1. Această schemă a fost creată pe baza explicațiilor anterioare, cu privire la combinarea celorlalte două amplificatoare prezente în Figura 4.1, și anume: INA128, care are în componență trei canale, și respectiv LM741, cu o singură poartă de intrare-ieșire. Această schiță urmează a fi reconstituită într-un program de proiectare.

Ansamblul format din amplificatorul LM324, alături de celelalte componente evidențiate cu culoare albastră în Figura 3.3, vor fi integrate pe un circuit imprimat (PCB), cu dimensiunile 3 x 5 cm.

Fig. 3.3. Schema de conexiuni a amplificatorului LM324, [20].

3.2.2. Proiectarea circuitului imprimat

Conceperea circuitului imprimat (PCB-ului) s-a făcut de la zero, iar programul folosit în acest scop a fost ”KiCad”, care a presupus parcurgerea a două etape: prima a constat în realizarea întregii scheme electrice ce a urmat a fi printată pe plăcuță, în modulul ”Schematic Layout Editor”, iar cea de-a doua a presupus design-ul propriu zis al PCB-ului, în secțiunea ”PCB Layout Editor”.

Crearea schemei s-a realizat ușor, prin plasarea componentelor din librăria programului KiCad în spațiul de lucru, conectarea lor cu ajutorul unor cabluri selectate prin opțiunea ”Place Wire” din meniul din dreapta paginii și atribuirea de valori specifice elementelor componente. Este esențial ca fiecărui element din schemă să îi fie atribuit un nume, acest lucru putând a se efectua în mod manual sau automat din iconița de „Annotate”. Acestui pas i-a urmat rularea schemei prin apăsarea butonului “Run”, pentru a verifica dacă toți pinii au fost conectați, toate elementele denumite și dacă schema electrică a fost creată și gândită în mod corect. În continuare, fiecărei componente i s-a atribuit un simbol din librărie, astfel încât acestea să se regăsească ca și componente în pasul următor de design propriu zis al PCB-ului. Comanda necesară îndeplinirii acestui scop este numită ”Assign PCB Footprints”. După ce s-a creat schema electrică, parcurgând toți pașii expuși, prin selectarea opțiunii „Generate Netlist” s-a creat lista cu toate simbolurile și conexiunile dintre componente, necesare celei de-a doua etape din cel de-al doilea modul. Schema electrică completă, creată cu ajutorul softului ”Kicad”, se poate observa în Figura 3.4.

Este de menționat faptul că simbolurile atribuite lui J1, J2 și J3, în schemă, sunt, de fapt, conectori ce au diverse roluri. J1 este conectorul prin care se alimentează PCB-ul, prin cei trei pini corespunzători: 3 pentru alimentare, 1 pentru masă, și 2 pentru ground. Conectorul J3 este cel care face conexiunea dintre placa de dezvoltare ”Arduino Uno R3” și circuitul imprimat, iar J2 este responsabil de stabilirea legăturii dintre electrozi și circuitul propriu zis.

Pentru a avea acces în ”PCB Layout Editor” la lista creată în ”Schematic Layout Editor”, a fost nevoie de încărcarea acesteia din opțiunea “Load Netlist”. Tot ceea ce a urmat a fost strict designul plăcuței: primul lucru, crearea unui spațiu de lucru de dimensiunile 3×5 cm, așezarea simbolurilor în perimetrul interior al spațiului de lucru, crearea de trasee dintre simboluri cu opțiunea “Route tracks” care se poate realiza atât pe fața anterioară (Front), cât și pe fața posterioară (Bottom) și umplerea zonelor libere cu cupru. Acest lucru este indicat a se efectua pentru a se evita scurtcircuitul. Din opțiunea „Add filled zones”, regăsită în meniul din dreapta

spațiului de lucru, s-a selectat partea din față la care se face umplerea (în general se alege „ground„), după care s-a realizat selectarea spațiului de lucru, sfârșind operațiunea prin dublu click.

Fig. 3.4. Schema electrică proiectată în modulul ”Schematic Layout Editor”

din programul ”KiCad”.

Rezultatul final se poate observa în imaginea de mai jos, Figura 3.5. În partea din stânga este PCB-ul fără zonele de cupru, iar în partea dreaptă, are în componență și acele zone.

Fig. 3.5. Varianta finală a circuitului imprimat (PCB-ul), după etapa de proiectare.

De asemenea, în modulul ”PCB Layout Editor”, programul ”KiCad” are opțiunea de vizualizare și în format 3D, oferind astfel șansa utilizatorilor de a-și face o idee de ansamblu asupra circuitului rezultat. Plăcuța proiectată, în cadrul prezentului proiect de diplomă, se poate vedea în format 3D prin intermediul Figurii 3.6, unde în stânga este reprezentată partea din față, iar în dreapta, partea din spate.

Fig. 3.6. Vizualizare 3D a PCB-ului, proiectat în softul ”KiCad”.

3.2.3. Realizarea circuitului imprimat – PCB-ul

Odată cu terminarea procesului de proiectare a plăcuței, cablajul imprimat s-a exportat în format PDF (Figura 3.7). S-a decupat cu grijă porțiunea care cuprindea cablajul și s-a lipit pe o folie transparentă, care a fost introdusă, la rândul ei, într-o imprimantă cu raze ultraviolete (UV), care a imprimat traseele pe suprafața acesteia.

Folia imprimată a fost stabilizată pe un laminat placat cu cupru și acoperit cu o folie sensibilă la radiația UV iar acest ansamblu s-a introdus într-o soluție de developare, obținută din amestecul de sodă caustică (NaOH) cu apă, pentru a se fixa traseele imprimate de plăcuța propriu-zisă, [21].

Fig. 3.7. Imaginea traseelor, în format PDF.

S-a așteptat circa 5-10 minute până la sfârșitul acestui proces, după care laminatul a fost scos, spălat cu apă de la robinet și uscat prin tamponare cu un șervețel uscat pentru a nu rămâne nici un reziduu de substanță pe suprafața acestuia, care să poată interfera cu substanța din procesul de corodare. Fiind un montaj simplu și având nevoie de un singur strat (Bottom), procesul a fost de durată mai scurtă și relativ ușor.

Etapa de corodare a plăcuței presupune îndepărtarea stratului de cupru de pe zonele nedestinate traseelor, lăsând în urmă doar partea metalică specifică cablajului imprimat. Astfel, s-a scufundat plăcuța într-o soluție de clorură ferică lichidă (FeCl3) timp de aprox. 20 minute (Figura 3.8). Este de precizat aici faptul că, lăsată pe o perioadă mai lungă de timp acest lucru poate duce la întreruperea traseelor de cupru, cu alte cuvinte, la distrugerea traseelor proiectate.

Un ultim pas în acest proces a presupus, din nou, spălarea laminatului cu apă, tamponare cu un șervețel uscat și ștergerea suprafeței cu diluant.

Fig. 3.8. Etapa de corodare. Plăcuța în soluție de FeCl3.

Rezultatul procesului de imprimare și corodare a plăcuței, dar înaintea finalizării prin găurire și așezarea componentelor, se observă în Figura 3.9.

Fig. 3.9. Plăcuța obținută în urma procesului de imprimare și corodare.

3.2.4. Găurirea și poziționarea componentelor pe circuitul imprimat

La realizarea acestui PCB s-au utilizat, pentru partea anterioară (Figura 3.10 a) componente bazate pe tehnologia ”through – hall” (diodă, led, conectori, condensatori și amplificatorul operational LM324), iar pentru partea posterioară (Figura 3.10 b) componente (rezistențe) bazate pe tehnologia SMD (Surface Mounted Device). Pentru popularea cu componentele ”through – hall”, plăcuța a fost supusă găuririi cu ajutorul unei mașini de găurit din laborator. Dimensiunea burghiului utilizat s-a ales astfel încât dimensiunea găurii să fie potrivită și să permită introducerea pinilor componentelor cu ușurință. Pentru plantarea cu componentele SMD, a fost nevoie de un pistol de lipit, pentru a le fixa în locul destinat acestora.

Fig. 3.10. – a). Plăcuța finală, vedere frontală; b). Plăcuță finală, vedere posterioară.

3.3. Interfața EKG/ EMG OLIMEX

Pentru verificarea veridicității posibilelor semnale obținute de la PCB-ul proiectat în subcapitolul anterior, s-a achiziționat interfața EKG/EMG (Figura 3.11) produsă de compania OLIMEX. Acest modul este destinat atât pentru afișarea și culegerea datelor undelor cardiace, cât și a semnalelor provenite de la sistemul nervos periferic, fiind compatibil și cu placa de dezvoltare ”Arduino Uno R3”.

Din punct de vedere ”hardware”, acest modul de interfațare conține mai multe componente, după cum se observă și în Figura 3.12, [23].

CON1, CON2, CON3 și CON4 sunt conectorii care fac posibilă conexiunea shield-ului cu alte elemente exterioare (spre ex, cu placa de dezvoltare compatibilă cu Arduino). Alimentarea modulului se realizează de la placa pe care se montează, și poate fi alimentat cu 3.3 V sau cu 5 V, în funcție de poziția ”jumper-ului”. Setarea implicită din fabrică este de 3.3 V. Un alt element ”hardware” este reprezentat de mufa pentru electrozi, care permite conectarea acestora la placă (Figura 3.13), aceștia din urmă fiind esențiali în culegerea semnalelor cardiace.

”Jumperul REF_E” depinde de placa “gazdă”, și este în strânsă legătură cu tensiunea pe care o furnizează pe modul, prin pinul ”AREF”. Astfel, dacă există tensiune, conectorul trebuie să fie deschis, pentru a permite trecerea voltajului, iar în caz contrar, acesta trebuie să fie închis. Se recomandă să se verifice ca doar una dintre plăci să furnizeze tensiune, pentru a se evita o posibilă distrugere a componentelor. Setarea implicită este pe poziția închis, [23].

Fig. 3.11. Modulul de interfață EKG/EMG OLIMEX.

Fig. 3.12. Părțile modulului de interfață – a). Frontală; b). Posterioară, [23].

”Jumperul” D4/D9 permite controlul pinilor digitali numiți. Poziția implicită din fabrică este pe pinul D9. ”Jumperul” denumit ”CAL”, aflat între ”REF_E” și mufa pentru electrozi, este responsabil pentru calibrarea modulului și are nevoie de cabluri adiționale. Ultimul jumper, ”AIN_SEL”, corespunzător lui “Channel Select” din figura de mai sus, se ocupă de canalele pe

care le utilizează modulul. Spre exemplu, dacă se utilizează 2 interfețe, primul trebuie să ocupe canalul 1, iar al doilea, canalul 3, [23].

Fig. 3.13. Electrozii conectați la modulul EKG/EMG prin mufă.

S-a încercat, adițional la ceea ce s-a stabilit inițial, compararea formelor de undă cardiace obținute de la PCB-ul creat în subcapitolul 3.2 și de la modulul EKG/EMG, în vederea verificării semnalelor obținute și a posibilelor erori. Cu toate acestea, din cauza situației actuale care nu a permis continuarea studiilor în unitățile de învățământ și a cercetării, în vederea finalizării lucrării de diplomă, PCB-ul creat nu a reușit să fie testat și adus la pragul de funcționalitate. Astfel, această verificare, cât și obținerea unor unde cardiace, a rămas momentan pur teoretică, urmând a se aprofunda în timpul studiilor de masterat.

3.4. Acționarea motorului de curent continuu de la platforma ”Arduino”

În capitolul 2 al acestei lucrări, s-a menționat adesea despre posibilitatea monitorizării activității cardiace în 3 situații distincte, în funcție de gravitatea afecțiunilor pe care le observă medicul asupra pacientului. Aceste situații presupun monitorizarea în condiții normale, atunci când persoana în cauză stă relaxată, pe scaun, în condiții de efort (persoana este supusă unei activități fizice, adesea alergarea pe o bandă sau pedalatul pe o bicicletă statică) sau pe parcursul a 24, până la 48 de ore.

A doua parte practică a prezentului proiect, prima fiind crearea PCB-ului și obținerea formelor de undă cardiace, a constat în acționarea unui motor de curent continuu, cu ajutorul

plăcii de dezvoltare ”Arduino”. Acest motor de c.c. urma a fi integrat în construirea unei benzi de alergare, iar în combinare cu prima parte, rămasă momentan la stadiul pur teoretic, pentru monitorizarea activității cardiace în condiții de efort. Având cele două situații, se realiza o analiză comparativă, pentru a vedea dacă subiectul suferă de anumite probleme ce nu pot fi observate în contextul standard.

3.4.1. Partea fizică

Structura fizică (Figura 3.14.) se referă la ansamblul realizat pe baza tuturor elementelor componente și a conexiunilor stabilite între acestea. După cum se observă și din Figura 3.14, ansamblul este alcătuit din:

motor de curent continuu (DC) fixat pe un suport;

o platformă de dezvoltare ”Arduino”;

un ecran LCD de tip I2C;

modulul cu driver de motoare L298N, discutat la subcapitolul 3.4.2;

placă de prototipare utilizată pentru plasarea componentelor și crearea conexiunilor;

două butoane pentru controlul turației motorului;

un întreruptor pentru schimbarea sensului de mers a motorului;

rezistențe folosite pentru conectarea butoanelor la placa ”Arduino”;

fire și cabluri de diverse dimensiuni pentru stabilirea conexiunilor.

Fig. 3.14. Structura fizică implementată.

Pilonul de bază al ansamblului este reprezentat de placa de dezvoltare ”Arduino”. Motorul de curent continuu, prin cele două cabluri de culoare roșie și albastră, este conectat la modulul cu driver L298N, care prin structura sa internă (puntea H sau VTC de 4 cadrane) va permite schimbarea sensului de rotație al motorului, prin intermediul comutatorului mecanic (elementul 7). Acesta din urmă este conectat, de asemenea, prin doi pini la modul (cablul alb si maro facilitează această conexiune) și prin cel de-al treilea la masă. L298N este alimentat prin firele de culoare albastră (12V) și mov (GND) de la o sursă externă, iar firele de culoare roșie și portocalie realizează legătura cu platforma ”Arduino”. Pe placă de prototipare sunt plasate cele două butoane, prin care se crește (butonul de sus), sau se scade (butonul de jos) turația motorului. Acestea sunt conectate prin rezistențe și prin firele de culoare verde și neagră la ”Arduino”, prin cel roșu la (-), iar prin cel maro la (+). Ecranul LCD este în legat de placa ”Arduino” prin intermediul a trei fire (roșu – Vcc, galben – SDA și negru – SCL), iar de potențialul masei prin cel alb.

3.4.2. Partea software

Funcționalitatea ansamblului se datorează codului scris în mediul de programare ”Arduino IDE”. Acesta este redat mai jos și explicat pe părți.

La începutul programului (Figura 3.15.) se declară cele două biblioteci: ”Wire.h” pentru conectarea ecranului la platformă și ”LiquidCrystal_I2C.h” pentru a permite plăcii ”Arduino” să controleze afișajul. De asemenea, tot în partea de început, se declară poziția pinilor celor două butoane și se inițializează variabilele necesare structurii de cod: starea butoanelor, factorul de umplere, procentul care se va afișa pe ecran și starea de progres afișată pe display. Ultimul rând din această secvență, ”custom character”, vizează strict ecranul și modul de afișare a caracterelor pe cei 8 biți declarați.

Fig. 3.15. Începutul structurii de cod ”Arduino”.

Programul se continuă cu funcția ”void setup ()” (Figura 3.16.), în care se configurează pinii componentelor ca intrări sau ieșiri, după caz. Se creează, totodată, caracterul care se folosește pe ecran prin funcția ”lcd.createChar”, și se programează astfel încât afișajul să se lumineze, pentru a face posibilă citirea informațiilor, iar când nu este folosit, să treacă pe modul “off”, pentru economisirea energiei. Bucla ”void setup ()” se rulează doar o singură dată și cuprinde doar setările necesare în execuția programului.

Fig. 3.16. Funcția ”void setup ()” a programului ”Arduino”.

Succesor acestei bucle este ”void loop ()” (Figura 3.17.), rulată într-o buclă infinită, cuprinzând operații de citire a stărilor celor două butoane (butonul care crește turația, respectiv butonul care scade turația), procesare și generare de comenzi: atunci când butonul ”up” este apăsat, factorul de umplere va crește, în mod contrar, când butonul ”down” este apăsat, factorul de umplere va scădea.

Fig. 3.17. Bucla ”void loop ()” a programului ”Arduino”.

Ultima parte a codului (Figura 3.18) cuprinde ”maparea” procentului și a stărilor de progres ce urmează a fi afișate pe ecranul LCD.

Fig. 3.18. Sfârșitul structurii de cod ”Arduino”.

Sintaxa funcției ”map” este următoarea: ”map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh)”. Ea presupune alinierea valorilor la alte game de tensiune și cuprinde parametrul în funcție de care se realizează alinierea și valorile, de la cele mai mici, la cele mai mari. După stabilirea acestor alinieri, în liniile de cod următoare, se realizează afișajul pe ecranul LCD a textului ( +/- FU%), a procentului determinat de factorul de umplere, care la rândul lui este determinat de cât de mult timp este apăsat un buton, și a ratei de progres.

3.4.3. Afișarea formelor de undă

În vederea susținerii corectitudinii și funcționării codului scris pentru programarea plăcii ”Arduino”, în figurile de mai jos sunt surprinse diverse forme de undă. Acestea au fost afișate pe osciloscop prin intermediul sondelor.

Figura 3.19 evidențiază formele de undă obținute la creșterea factorului de umplere (”duty cycle”), colorate cu verde, iar cele cu albastru sunt determinate de scăderea acestui factor.

Fig. 3.19. Tensiunile de comandă ale motorului prin modificarea

factorului de umplere.

Prin intermediul Figurilor 3.20 … 3.22) este surprinsă comanda pentru convertor (variator de tensiune continuă de 4 cadrane, prezent în modulul cu driver L298N) în diverse situații, în funcție de valoarea factorului de umplere. Acest factor este direct proporțional cu valoarea turației motorului, astfel că, la o valoare de 10%, motorul se învârte lent, iar pe măsură ce valoarea factorului este incrementată, turația motorului va crește. Procesul are la bază logica de comandă PWM, descrisă în subcapitolul 2.4.2.

Fig. 3.20. Tensiunea de comandă a convertorului la un factor

de umplere de 10 %.

Fig. 3.21. Tensiunea de comandă a convertorului la un factor

de umplere de 40%.

Fig. 3.22. Tensiunea de comandă a convertorului la un factor

de umplere de 70%.

4. CONCLUZII

În această lucrare practică s-a urmărit realizarea unui electrocardiograf (EKG) pornind de la o schemă electrică de bază și aducând o idee nouă ce are ca scop simplificarea circuitului inițial. Pentru testarea veridicității semnalelor obținute de la acest echipament, s-a dorit, în primul rând, compararea cu formele de undă obținute de la modulul de interfață ”EKG/ EMG” produs de Olimex. În al doilea rând, s-a dorit realizarea unei analize comparative a undelor cardiace în două situații distincte, și anume: subiectul stă în poziție normală și subiectul este supus unei activități fizice pe banda de alergare, în ambele fiindu-i monitorizată activitatea cardiacă.

Subiectele tratate în cadrul noțiunilor teoretice au avut ca obiectiv familiarizarea cititorului cu anatomia și fiziologia sistemului cardiovascular, precum și reactualizarea unor cunoștințe din domeniul ingineriei, aplicate în spectrul medical. Astfel, subcapitolele tratate au fost alese și aranjate într-o ordine cronologică pentru înțelegerea facilă a acestei lucrări.

Proiectarea circuitului imprimat în programul ”KiCad” alături de imprimarea traseelor, corodarea plăcuței și popularea cu componente au constituit un pas important în dobândirea unor noi cunoștințe, adiționale la cele câștigate în urma celor patru ani de facultate, deoarece a presupus un intens și lung studiu individual din partea autorului lucrării de față.

Realizarea ansamblului pentru controlul și acționarea motorului de curent continuu prin intermediul platformei ”Arduino” a însemnat o reactualizare a noțiunilor învățate la materia “Sisteme cu microprocesoare”, din anul III.

S-a reușit testarea funcționalității doar a ultimei părți din lucrare, cu ajutorul unui osciloscop, pe care erau proiectate formele de undă la comanda VTC-ului de 4 cadrane prin intermediul modificării factorului de umplere. Testarea circuitului imprimat (PCB), și implicit, realizarea celor 2 comparații dorite inițial, nu a mai fost posibilă din cauza situației care nu a permis accesul în unitățile de învățământ, și implicit în laboratorul de lucru timp de luni întregi.

Ca notă de final, autorul lucrării de față își manifestă dorința de continuare a acestui proiect în timpul unor viitoare studii de masterat, aducând noi actualizări și îmbunătățiri pe cât posibil. Cu toate că acest dispozitiv există și este indispensabil în orice unitate medicală, autorul acestei lucrări, consideră că este la fel de important un studiu mai aprofundat în acest domeniu nu doar la specializarea de inginerie medicală, deoarece doar prin analiză, se poate ridica nivelul de conștientizare al prezenței bolilor cardiace, care reprezintă, din păcate, prima cauză de deces, nu doar în România, dar și în Uniunea Europeană.

LISTA FIGURILOR

CAPITOLUL 2

Fig. 2.1. Schema bloc a circuitului cardiovascular …………………………………………….11

Fig. 2.2. Circuitul echivalent pentru culegerea semnalelor electrofiziologice cu ajutorul electrozilor de suprafață și sursa de semnal bioelectric la intrarea în preamplificator …………15

Fig. 2.3. Reprezentarea schematică a undelor cardiace, a intervalelor, segmentelor și complexului QRS ………….……………………………………………………………………………………22

Fig. 2.4. Schema unui variator de tensiune continuă de 4 cadrane ……………………………..23

Fig. 2.5. Diagrama formelor de undă a curenților și tensiunilor VTC-ului de patru cadrane cu comandă în pulsuri bidirecționale de tensiune, cu funcționare în ambele cadrane ………………….25

Fig. 2.6. Caracteristicile mecanice ale motorului de curent continuu și cadranele de funcționare ale variatorului de patru cadrane care alimentează motorul ………………………………………………..26

Fig. 2.7. Modul cu driver de motoare dual L298N [16] ………………………………………………………27

Fig. 2.8. Structura internă a L298N ………………………………………………………………………………….28

CAPITOLUL 3

Fig. 3.1. Schema electrică pentru citirea și afișarea ritmului cardiac pe LCD ………………….29

Fig. 3.2. Reprezentarea simbolică LM324 ………………………………………………………31

Fig. 3.3. Schema de conexiuni a amplificatorului LM324 ….…….…………………………….31

Fig. 3.4. Schema electrică proiectată în modulul Schematic Layout Editor din KiCad ……………33

Fig. 3.5. Printed Circuit Board-ul în varianta finală ……………………………………………………………33

Fig. 3.6. Vizualizare 3D a PCB-ului proiectat în KiCad ……………………………………….34

Fig. 3.7. Layer-ul în format PDF ………………………………………………………………34

Fig. 3.8. Etapa de corodare. Plăcuța în soluție de FeCl3 ………………………………………35

Fig. 3.9. Plăcuța obținută în urma procesului de imprimare și corodare …………………………36

Fig. 3.10 – a). Plăcuța finală, Front Layout; b). Plăcuță finală, Bottom Layout ………………36

Fig. 3.11 Shield EKG/EMG OLIMEX ………………………………………………………….37

Fig. 3.12 Layout-urile Shield-ului – a). Front; b). Bottom……………………………………………………38

Fig. 3.13 Electrozii conectați la shield-ul EKG/EMG prin mufă ……………………….………..38

Fig. 3.14 Structura hardware …………………………………………………………………….40

Fig. 3.15 Începutul structurii de cod Arduino …………………………………………………………………….41

Fig. 3.16. Funcția void setup () a programului Arduino ……………………………………………………..41

Fig. 3.17 Bucla void loop () a programului Arduino …………………………………………………………..42

Fig. 3.18 Sfârșitul structurii de cod Arduino ……………………………………………………………………..42

Fig. 3.19 Comanda motorului prin duty cycle………………………………………………..….43

Fig. 3.20 Comanda convertorului cu 10 % duty cycle …………………………………………………………44

Fig. 3.21 Comanda convertorului cu 40% duty cycle ………………………………………………………….44

Fig. 3.22 Comanda convertorului cu 70% duty cycle …………………………………………………………44

LISTA ABREVIERILOR

EKG – electrocardiogramă

VTC – variator de tensiune continuă

PCB – Printed Circuit Board

SMD – Sourface Mounted Device

PWM – Pulse Width Modulation

ENA – pinii de conectare a motorului 1 a modulului cu driver de motoare L298N

ENB – pinii de conectare a motorului 2 a modulului cu driver de motoare L298N

GND – ground

VCC – sursă de alimentare

DC – Direct Current

U – tensiune

I – curent

M – cuplu

W – viteză unghiulară

E – tensiune electromotoare

Ud – tensiunea de intrare a variatorului de tensiune continuă

Umed – tensiunea medie de ieșire

Tc – timpul de conectare a VTC-ului

t – constanta de timp a circuitului în cazul existenței unui VTC

T1,..,T4 – tranzistoarele variatorului de tensiune continuă

D1,..,D4 – diodele variatorului de tensiune continuă

mlog – logica de comandă a modulatorului

iref – curent de referință

V – volți

A – amperi

m – micro

LM324 – amplificator operațional cu 4 canale

LM741 – amplificator operațional cu 1 canal

INA128 – amplificator

BIBLIOGRAFIE

[1]. Niculescu, Cezar Th. și colab., Anatomia și fiziologia omului- Compendiu, editura Corint, 2009

[2]. Ciupa, R.V., Introducere în electronică biomedicală, Cluj-Napoca, ed. Institutul Politehnic Cluj-Napoca, 1992

[3]. Strungaru, Rodica., Electronică medicală, București, Editura Didactică și Pedagogică București, 1982

[4]. Hampton, J. și Hampton, Joanna., The ECG made easy, ediția IX, Scoția, Editura Elsevier, 2019.

[5]. Soto, Cathy D., ECG: Essential of Electrocardiography, SUA, Editura Cengage Learning, 2016.

[6]. Universitatea de Medicină și Farmacie Craiova, “Electrocardiografia”, http://www.umfcv.ro/files/e/k/EKG1.pdf, accesat la 06.04.2020

[7]. Marc Dingman, “History of neuroscience: Luigi Galvani”, 2017, https://www.neuroscientificallychallenged.com/blog/history-of-neuroscience-luigi-galvani, accesat la 06.04.2020

[8]. MM. Gay-Lussac și colab., Annales de chimie et de physique, ediția 3, vol. 6, Paris, ed. , 1842

[9]. Besterman, Edwin. și Creese, Richard., Waller – pioneer of electrocardiography, British Heart Journal, 1979, 42(1), iulie 1979, 61-64.

[10]. AlGhatrif, Majd. și Lindsay, Joseph., A brief review: history to understand fundamentals of electrocardiography, Journal of Community Hospital Internal Medicine Perspectives, 2012, 2(1), 30 aprilie, 2-3.

[11]. Rivera-Ruiz, Moises și colab., Einthoven’s String Galvanometer: The First Electrocardiograph, Texas Heart Institute Journal, 2008, 35(2), 174, 176-177.

[12]. Rădulescu, Dan., Electrocardiograma în practica curentă, Cluj-Napoca, ed. Risoprint Cluj-Napoca, 2013.

[13]. Incze, I., Notițe de curs: Convertoare electronice de putere, Universitatea Tehnică din Cluj Napoca, an univ. 2019-2020

[14]. Kelemen, A. și colab., “Mutatoare – aplicații”, București, Editura Didactică și Pedagogică București, 1980

[15]. Kelemen, A., Imecs, Maria, Electronică de Putere, București, Editura Didactică și Pedagogică București, 1983

[16]. “L298N Punte H dublă (dual H-bridge) motor DC/stepper”, https://ardushop.ro/ro/electronica/84-l298n-punte-h-dubla-dual-h-bridge-motor-dcsteppe.html, accesat la data de 09.05

[17] Dache, Liliana, Controlul motoarelor de curent continuu prin lățimea impulsurilor, http://stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2013/12/37-COMANDA-MOTOARELOR-DE-CURENT-CONTINUU.pdf, accesat la data de 10.05.

[18] Imecs, Maria și colab., MSAE – ghid Partea 1, UTC-N, An univ. 2019-2020

[19]Electrocardiograph-Heart-Rate-Monitor, https://www.instructables.com/id/Electrocardiograph-Heart-Rate-Monitor/?fbclid=IwAR21E92bRZQWe5UCoqUUGcgX3OpAYuiY7ddCkJXLlrA9s10Oii5IeAILwwE, accesat la data de 23.06

[20]. LM324 Datasheet, https://www.onsemi.com/pub/Collateral/LM324-D.PDF, accesat la data de 24.06

[21] Fabricarea circuitelor imprimate în laboratorul propriu – I, https://electrokits.ro/articole-c-39/fabricarea-circuitelor-imprimate-in-laboratorul-propriu-i-p-500.html, accesat la data de 25.06

[22] Fabricarea circuitelor imprimate în laboratorul propriu – II, https://electrokits.ro/articole-c-39/fabricarea-circuitelor-imprimate-in-laboratorul-propriu-ii-p-501.html, accesat la data de 25.06

[23]. Shield EKG/EMG bio-feedback shield User’s Manual,

https://www.olimex.com/Products/Duino/Shields/SHIELD-EKG-EMG/resources/SHIELD-EKG-EMG.pdf, accesat la data de 26.06

[24]. Raportul național al stării de sănătate a populației, http://insp.gov.ro/sites/cnepss/wp-content/uploads/2018/11/SSPR-2017.pdf, accesat la data de 27.06

[25]. Buletin informativ – Cauzele de deces în România, http://cnsisp.insp.gov.ro/wp-content/uploads/2018/03/BI-Cauze-Deces-an-2016.pdf, accesat la data de 27.06

[26]. Statistici privind cauzele de deces, https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Causes_of_death_statistics/ro, accesat la data de 27.06