Crea un monitor ECG sencillo con AD8232 y Arduino

El mundo de la ciencia médica puede ser sorprendentemente entretenido, especialmente cuando puedes interactuar con él a través de proyectos DIY. Con solo unos pocos componentes fácilmente disponibles, tienes la oportunidad de explorar las señales eléctricas que mantienen funcionando a tu cuerpo. Mientras que los profesionales de la salud utilizan estos datos para monitorear el estado físico de los pacientes, los entusiastas tienen la libertad de experimentar, investigar y aprender de maneras creativas. Uno de los puntos de partida más fascinantes es el corazón, y el módulo AD8232 para monitoreo de ritmo cardíaco facilita la detección y visualización de las señales eléctricas que produce tu corazón con cada latido. En este tutorial, te mostraremos cómo conectar el módulo AD8232 a un Arduino, construir un monitor ECG básico y observar tu propio corazón en acción. ¡Vamos a comenzar y demostrar que no eres desalmado después de todo!

Comprendiendo la señal del ECG

Antes de adentrarnos en los aspectos técnicos, es crucial entender qué es exactamente lo que estamos intentando medir. Las señales eléctricas generadas por el corazón tienen un patrón específico que, al aprender sus fundamentos, podrás interpretar mejor lo que el AD8232 está capturando. Para eso, observemos brevemente cómo funciona el corazón.

El corazón humano está compuesto por cuatro cámaras principales: el atrio derecho y el atrio izquierdo en la parte superior, y el ventrículo derecho y el ventrículo izquierdo en la parte inferior. La función del corazón es bombear sangre a través del cuerpo, y este proceso comienza con un grupo especial de células en el atrio derecho conocido como el nodo sinoauricular (SA). Este nodo actúa como el marcapasos natural del corazón, enviando señales eléctricas que inician cada latido y establecen la frecuencia cardíaca.

A continuación, se presenta cómo cada parte de la señal eléctrica corresponde a una onda o segmento en el ECG:

Onda P

La onda P aparece cuando el nodo SA envía su señal y los atrios se contraen para llenar los ventrículos de sangre. Esta contracción se representa en el ECG como la onda P.

Segmento PR

El segmento PR sigue inmediatamente a la onda P. Este breve retraso permite que los ventrículos se llenen de sangre antes de contraerse y se transmite desde los atrios al nodo auriculoventricular (AV).

Complejo QRS

Cuando la señal alcanza el nodo AV, se desplaza por un haz de fibras conocido como haz de His, que se divide en ramas derecha e izquierda. Esto provoca la contracción de los ventrículos y la expulsión de sangre hacia los pulmones y al resto del cuerpo. Este evento eléctrico intenso genera un pico agudo en el ECG llamado complejo QRS.

Segmento ST

Durante el segmento ST, los ventrículos están en pleno proceso de expulsión de sangre.

Onda T

Finalmente, después de que los ventrículos han bombeado la sangre, comienzan a relajarse, lo cual se representa por la onda T en el ECG. Al final de la onda T, los ventrículos están completamente relajados y el corazón está listo para reiniciar el ciclo.

Visión general del hardware

Una vez que comprendes la señal del ECG y su significado, es hora de explorar el hardware que hace posible este proyecto. El módulo AD8232 está diseñado específicamente para detectar y procesar la actividad eléctrica de tu corazón.

Este módulo capta las señales, elimina el ruido eléctrico circundante y las amplifica para que puedan ser analizadas más fácilmente. Luego, emite la señal limpiada y amplificada como un voltaje analógico, que el convertidor analógico-digital (ADC) de un microcontrolador puede leer. Después de convertirla en forma digital, esta información puede ser utilizada para generar un electrocardiograma.

El chip AD8232

El corazón del módulo es el IC AD8232, un ECG de bajo consumo y de un solo canal, diseñado por Analog Devices. Este chip cuenta con varias características necesarias para proporcionar mediciones precisas de ECG:

• Amplificación de Instrumentación: Amplifica las señales biopotenciales minúsculas, que se miden en microvolts o milivolts, para que sean legibles por el ADC del microcontrolador.
• Filtrado: Incorpora filtros ajustables de alto y bajo paso para eliminar artefactos de movimiento y ruidos de frecuencia de línea.
• Amplificador de conducción de pierna derecha (RLD): Mejora el rechazo al modo común del ruido, reduciendo la interferencia.
• Restauración rápida: Permite que el módulo se recupere rápidamente tras cambios bruscos en la señal.

Estas características hacen que el módulo AD8232 sea versátil, utilizándose en aplicaciones de ECG y monitoreo de ritmo cardíaco, como monitores de actividad, ECG portátiles y dispositivos de salud remotos.

Detección de desconexión de electrodos

Una característica vital es su capacidad para detectar cuando uno de los electrodos no está conectado correctamente. El chip tiene dos pines especiales, LO+ y LO−, que indican si uno o ambos electrodos están desconectados. Esto es esencial, ya que un electrodo suelto puede causar datos incorrectos o la ausencia de datos.

Modo de bajo consumo

El chip AD8232 cuenta con un modo de bajo consumo que se activa bajando el pin SDN a un nivel lógico bajo, reduciendo significativamente el consumo energético. Esto es ideal para dispositivos portátiles como monitores de salud y bandas de fitness.

Cable del sensor y electrodos de ECG

El módulo incluye un cable con un conector de audio de 3.5 mm en un extremo y tres conectores pequeños en el otro. Estos conectores se utilizan para acoplar los electrodos de ECG, que son almohadillas adhesivas pequeñas. Es importante recordar que los electrodos suelen ser desechables, perdiendo su adherencia y conductividad después de un uso.

Las señales eléctricas del corazón son extremadamente débiles, por lo que la colocación correcta de los electrodos es crucial para obtener una buena lectura. Más detalles sobre la colocación adecuada de los electrodos se discutirán más adelante en el tutorial.

Conector Jack de 3.5 mm

El conector jack de 3.5 mm es donde se conecta el cable del sensor.

Indicador LED y jumper

El módulo también cuenta con un pequeño LED que parpadea con cada latido del corazón, lo cual es una manera sencilla de verificar si el dispositivo está funcionando correctamente. Además, hay un jumper que permite encender o apagar este LED, lo cual es útil en proyectos que funcionan con baterías, ya que cada bit de energía cuenta.

Puntos de conexión del módulo AD8232

El módulo AD8232 tiene nueve conexiones que se desglosan del IC:

• GND: Pin de tierra.
• 3.3V: Pin de alimentación; conéctalo a una fuente de 3.3V.
• OUTPUT: Pin de salida analógica donde sale la señal cardíaca amplificada y filtrada.
• LO− y LO+: Pines de detección de desconexión de electrodos.
• SDN (Apagar): Pin que activa el modo de bajo consumo.
• RA, LA y RL: Pines alternativos para conectar sensores o electrodos personalizados.

Conectando el módulo AD8232 a un Arduino

Ahora que entiendes el hardware, es momento de conectar el módulo AD8232 al Arduino. Primero, conecta el pin de 3.3V del módulo al pin de 3.3V del Arduino y el pin GND a uno de los pines de tierra del Arduino. Luego, conecta el pin OUTPUT del módulo al pin de entrada analógica A0 del Arduino.

También es útil conectar los pines LO+ y LO− a los pines 10 y 11 del Arduino. Así, cuando los electrodos no estén conectados, el Arduino podrá detectar la falta de leads y evitar el envío de datos sin sentido al Monitor Serial.

A continuación, se muestra una tabla rápida para las conexiones de pines:

Colocando los electrodos

Con el cableado completado, el siguiente paso es colocar las almohadillas de los electrodos en tu cuerpo. Los electrodos tienen un sistema de nomenclatura simple: RA, LA y RL, que se refieren al brazo derecho, brazo izquierdo y pierna derecha, respectivamente. RA y LA ayudan a medir la diferencia de potencial eléctrico entre los brazos, mientras que RL proporciona un punto de referencia para la cancelación de ruido.

Generalmente, los cables están codificados por colores para coincidir con una configuración estándar basada en el triángulo de Einthoven. Una opción común es colocar los electrodos en los antebrazos y la pierna derecha, como se muestra en el diagrama inicial. Otra opción es colocarlos en el pecho, con los electrodos RA y LA cerca de los hombros o la parte superior del pecho, y el electrodo RL justo por encima de la cadera derecha.

Hemos encontrado que la segunda opción proporciona lecturas más fuertes y fiables, ya que las señales se capturan más cerca del corazón mismo.

Código de ejemplo para Arduino

A continuación, se presenta un sencillo código que lee los datos de la señal cardíaca desde el módulo AD8232 y los imprime en el Monitor Serial para que puedas ver lo que está sucediendo en tiempo real.

const int SENSOR_PIN = A0;
const int LO_POS_PIN = 8;
const int LO_NEG_PIN = 9;

void setup() {
  // inicializa la comunicación serial:
  Serial.begin(9600);

  // Configuración para detección de desconexión
  pinMode(LO_POS_PIN, INPUT);
  pinMode(LO_NEG_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  if ((digitalRead(LO_POS_PIN) == 1) || (digitalRead(LO_NEG_PIN) == 1)) {
    Serial.println('!');
  } else {
    Serial.println(analogRead(SENSOR_PIN));
  }
  // Espera un poco para no saturar los datos seriales
  delay(1);
}

Después de subir este código a tu Arduino, abre el Monitor Serial y asegúrate de que la velocidad de baudios está configurada en 9600. Deberías empezar a ver números impresos en la pantalla. A continuación, un ejemplo de salida con los electrodos conectados cerca de los hombros y la cadera derecha.

Si bien puedes observar estos números cambiar en el Monitor Serial, es mucho más fácil entender lo que está sucediendo si miras la señal como un gráfico. Para eso, abre el Plotter Serial en el IDE de Arduino y selecciona Herramientas > Plotter Serial. Una vez abierto, deberías ver una forma de onda que se mueve con tu latido. Si los electrodos están bien colocados y estás quieto, la señal parecerá un patrón suave y repetido: este es tu ECG.

Explicación del código

Comenzamos declarando qué pines estamos utilizando. La señal analógica del AD8232 está conectada al pin A0, y los dos pines de detección de desconexión (LO+ y LO−) están conectados a los pines 10 y 11.

const int SENSOR_PIN = A0;
const int LO_POS_PIN = 10;
const int LO_NEG_PIN = 11;

En la función setup(), primero inicializamos el Monitor Serial. Luego, configuramos los dos pines de desconexión, LO+ y LO−, para que actúen como entradas digitales que el Arduino puede leer.

void setup() {
  // inicializa la comunicación serial:
  Serial.begin(9600);

  // Configuración para detección de desconexión
  pinMode(LO_POS_PIN, INPUT);
  pinMode(LO_NEG_PIN, INPUT);
}

En la sección loop(), primero leemos los pines LO+ y LO−. Si cualquiera de estos pines está en HIGH, eso significa que un electrodo se ha desconectado o no está correctamente conectado al cuerpo. En ese caso, imprimimos un sencillo ! en el Monitor Serial para advertirnos que la conexión es mala. Si todo está conectado correctamente y ambos están en LOW, leemos la señal analógica del pin de salida del sensor y la imprimimos en el Monitor Serial. Estos son los datos reales de la señal cardíaca.

Al final del loop, agregamos un breve retraso de 1 milisegundo para evitar que la salida serial se inunde con demasiados datos demasiado rápido.

void loop() {
  if ((digitalRead(LO_POS_PIN) == 1) || (digitalRead(LO_NEG_PIN) == 1)) {
    Serial.println('!');
  } else {
    Serial.println(analogRead(SENSOR_PIN));
  }
  // Espera un poco para no saturar los datos seriales
  delay(1);
}

Obteniendo una buena lectura de ECG

Si tu gráfico de ECG no se ve claro o nítido, no te preocupes; es bastante común. La naturaleza de los ECG es ser algo ruidosos, ya que miden un impulso eléctrico muy pequeño de un músculo grande y complejo. Sin embargo, hay algunas maneras sencillas de mejorar la calidad de tu señal:

• Coloca las almohadillas cerca de tu corazón. Cuanto más cerca estén las almohadillas de tu corazón, más fuerte será la señal que capturan.
• Verifica la colocación de tus almohadillas. Asegúrate de que las almohadillas RA y LA estén en los lados correctos de tu cuerpo. Una colocación incorrecta puede dar lugar a una señal débil o invertida.
• Permanece quieto. Intenta no moverte demasiado mientras tomas una medida. El movimiento de tus músculos esqueléticos puede generar ruido eléctrico que interfiere con la señal cardíaca.
• Usa almohadillas nuevas. Los electrodos pierden su capacidad de transmitir señales después de unos pocos usos. Utilizar un nuevo conjunto de almohadillas para cada medición puede marcar una gran diferencia.
• Limpia la zona. Antes de colocar las almohadillas, asegúrate de que la piel esté limpia y seca. Una superficie limpia ayuda a crear una buena conexión. Recuerda que el vello corporal no es un buen conductor de electricidad, así que intenta colocar las almohadillas sobre piel suave.
• Ajusta para cada persona. Cada cuerpo es un poco diferente, por lo que puede ser necesario ajustar la colocación de las almohadillas para obtener la mejor señal para cada individuo.