La actividad fisiolgica de las clulas en las diferentes estructuras biolgicas provoca potenciales bioelctricos tanto intracelulares como extracelulares.

El objetivo de esta unidad es realizar el estudio de la adquisicin, amplificacin y acondicionamiento de potenciales bioelctricos mediante electrodos.

Para ello se centrar el estudio de los amplificadores de potenciales bioelctricos o bioamplificadores, adaptando sus caractersticas en funcin a la seal que se desea medir

Caractersticas de las seales bioelctricas

Las magnitudes de Los potenciales bioelctricos del cuerpo humano o de cualquier animal son muy cambiantes, y lo hacen debido a :

Al paso del tiempo, incluso cuando todos los factores que las originan estn controlados.

Los valores de la misma medida pueden variar enormemente entre diferentes individuos aunque estos estn normalmente sanos aun cuando las condiciones de medicin sean las mismas. Esto quiere decir que los valores pueden ser muy diferentes para diferentes personas aunque sean valores normales en ellos.

Seales Biolectricas

Refirindonos al ECG. La American Heart Association recomienda que el ancho de banda de los equipos destinados a captar el ECG sea al menos de 0'1 a 100 Hz. No obstante, en funcin de la patologa a detectar puede ser necesario trabajar con mayores anchos de banda.

Dificultades en la captacin de seales Biolectricas

La captura de las seales Biolectricas presenta en forma casi inherente, el acoplo de diversas seales indeseables de diversa etiologas lo cual contamina la seal til a procesar incluyendo en el niveles contaminantes cuyos valores pueden llegar hasta ser de valores superiores a la de la seal que se desea obtener.

Causas de ruidoINTERFERENCIAS EXTERNAS AL EQUIPO DE MEDIDA:

Capacitivas:

Acoplamiento capacitivo con el paciente.

Acoplamiento capacitivo con los conductores y el equipo.

Inductivas. Originadas por la interfaz electrodo-electrolito-piel.

Debidas a otros potenciales bioelctricos.

Debidas a otros sistemas fisiolgicos.

Debidas a cargas electrostticas.

INTERFERENCIAS INTERNAS AL EQUIPO DE MEDIDA: Provocadas por el transformador de la fuente de alimentacin.

Debidas al rizado de la fuente de alimentacin.

Ruido generado por los componentes electrnicos.

Fuentes de ruido e interferencia en un bioamplificador

El principal problema en el registro de las seales Biolectricas estriba en reducir al mnimo las interferencias o ruido que se encuentran mezcladas con ella y por lo tanto no se debe pensar que su solucin es disear y construir un amplificador con ganancia elevada y ancho de banda suficiente.

Interferencia capacitivaSe puede considerar el cuerpo humano como un conductor volumtrico. Este conductor est separado por el aire de los conductores de la red elctrica que se encuentran en el ambiente donde se realizan las medidas. Se forman de esta manera dos condensadores cuyas armaduras son el sujeto y los conductores vivos y de tierra respectivamente, asumiendo el aire el papel de dielctrico.

Fuentes de ruido

Interferencias inductivas Estas tensiones son proporcionales al rea del bucle en

cuestin y a la frecuencia del campo magntico que interfiera. Las ms importantes se inducen en el bucle formado por el paciente, los conductores y el propio equipo. La mejor solucin para reducir la interferencia magntica, es hacer el rea del bucle de medida tan pequea como sea posible, lo cual puede conseguirse trenzando los cables de medida desde el equipo de registro hasta las proximidades del paciente o utilizando cable coaxial adecuado con una conexin apropiada, como lo indica la figura de la siguiente diapositiva

Reduccin de Interferencias inductivas

Efectos del Acoplamiento del Ruido en la seal

SEAL SIN RUIDO:

Ausencia de Rizados y distorsin

RUIDO ADITIVO:

V0=Vs+ en

SEAL CON RUIDO MULTIPLICATIVO:

V0= 1+N(t) Vs

Donde: N(t) es una funcin del Ruido

Seal sin ruido

Seal con Ruido Multiplicativo

Ruido Aditivo

TECNICAS DE ELEMINACION DE RUIDO

TCNICA DIFERENCIAL

Para lograr una estabilidad en la reduccin del ruido, por lo general las seales son combinadas por pares,

siendo fabricados en una forma dual donde la salida es el resultado de la diferencia de salidas en el par de sensores

Blindaje Elctrico

Circuito equivalente al ruido elctrico sobre un circuito.

Basado en el principio de que una carga que no puede

existir en el interior de una superficie conductora cerrada.

Reglas:

El blindaje debe se

conectado al voltaje de

referencia de todo el

circuito, como lo puede

ser la tierra o

el chasis. Si se usa un cable blindado, el blindaje debe ser conectado a la referencia del lado de donde surge la seal

Reglas

Si el blindaje es partido en varias secciones, todos los blindajes deben ser conectados en serie

Nunca conectar el blindaje en dos puntos diferentes al voltaje de referencia (GND)

Conectar blindaje a tierra por medio de cables cortos para evitar inductancias.

Pasos de Captura de Seal Biolgica DIAGRAMA DE BLOQUE GENERICO

4

1 2 3 5

Transductor

Sen

sor

ACONDICIONADOR

aislamiento

ADC

etapa de aislamiento elctrico

UNIDAD DECONTROL Y PROCESAMIENTO

Etapa de visualizacin

Interface de Comunicacin Etapa de

Registro

O

Opcional6

Diferencias entre Sensor y Transductor

Sensor Transductor

El sensor est siempre en contacto con la variable de instrumentacin, con lo que puede decirse tambin que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la seal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Este siente la presencia o variacin de la seal fsica, la que produce un cambio en las caractersticas fsicas del sensor .para que el transductor

El Transductor se vale o se sirve del cambio de las caractersticas fsicas del sensor que a su ves hace variar o cambiar las condiciones de entrada del transductor operndose un cambio en la seal elctrica de salida del transductor , es decir el cambio que se produce en el sensor el transductor lo siente en su entrada y luego lo transduce a su salida en forma proporcional para luego entregarlo a la siguiente etapa

Transductor

DefinicinUn transductor es un

dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energa de entrada, en otra diferente de salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformacin que realiza, aunque no necesariamente la direccin de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina,

El transductor puede ser electroqumico, termomtrico, fotomtrico o piezoelctrico y de acuerdo al

. Los transductores siempre consumen algo de energa por lo que la seal medida resulta debilitada.

12:SENSOR LUEGO TRANSDUCTOR

Acondicionamiento de sealesGeneralmente un

transductor no se conecta directamente a la parte de procesamiento o de despliegue de un sistema, ya que la seal de salida del transductor casi siempre es muy dbil o contiene ruido y otros componentes no deseados , por lo que necesariamemente se colocan etapas de acondicionamiento de seales.

Transductor

Circuito de Acondicion

amiento

Procesamiento de Seal

ESPECIFICACIONES DEL SENSOR Y DE ENTRADA

Medida: magnitud fsica, propiedad o condicin que se mide. Medida diferencial o absoluta: cuando la medida se realiza de

forma diferencial o unipolar. CMRR (rechazo al modo comn): Establece la relacin entre la

ganancia diferencial y la ganancia en modo comn. Rangos de funcionamiento: Valores de la seal de entrada

posibles. Rangos de sobrecarga: Posibles valores de la entrada que pueden

tolerarse sin daar el equipo. Tiempo de recuperacin de sobrecarga Sensibilidad: indica la variacin de la salida ante variaciones de

la entrada. Impedancia de entrada. Principio del sensor: indica en principio de funcionamiento del

sensor para captar la magnitud a medir.

ESPECIFICACIONES DEL SENSOR Y DE ENTRADA Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta, el coeficiente

de amortiguamiento y la frecuencia natural o de resonancia deben tenerse en cuenta en equipos o instrumentos que respondan a ecuaciones de primer, segundo orden o superiores.

Respuesta en frecuencia: La distorsin de fase o de amplitud es otro factor a tener en cuenta en funcin de las frecuencias de las seales que se desean medir.

Excitacin del sensor: Debe especificarse los requisitos de alimentacin del sensor y el modo y magnitud necesaria para excitarlo y obtener una medida.

Aislamiento: Deben especificarse el aislamiento elctrico u otros mtodos de seguridad del equipo.

Dimensiones fsicas: El tamao, modo de acoplamiento del sensor primario al equipo pueden resultar parmetros de gran inters para realizar las medidas correctamente.

Cuidado y manejo especial: Algunos sensores pueden daarse fcilmente por lo que se especifican algunas condiciones de manejo o mantenimiento del mismo.

Caractersticas de la etapa de Acondicionamiento

El amplificador necesario para captar y amplificar la seal bioelctrica deber reunir las siguientes caractersticas:

Utilizar amplificacin diferencial para atenuar las seales de modo comn.

Poseer un rechazo al modo comn muy elevado. Poseer impedancias de entrada muy elevadas para

disminuir la interferencia diferencial debida a la red AC y evitar la distorsin del biopotencial. Y lo mas importante para no demandar mucha corriente al transductor.

Estas caractersticas definen un dispositivo utilizado en instrumentacin siempre que es necesario trabajar con seales fuertemente enmascaradas por ruidos: el amplificador de instrumentacin.

EL Amplificador de instrumentacin

DESCRIPCIN FUNCIONAL DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

La necesidad de evitar la demanda de corriente en la salida del transductor y la necesidad de que la seal proveniente de este debe ser altamente amplificadas nos lleva a utilizar los op-amps, ya que estos cumplen con las siguientes caractersticas :

Resistencia de entrada alta (orden de cientos de mega )

Resistencia de salida baja (debajo de 1)

Grande ganancia de lazo abierto (orden de 104 a 106)

Alto CMRR ( Factor de rechazo al modo comn)

Buen rango de frecuencias de operacin

Baja sensibilidad a las variaciones de la fuente de alimentacin

Gran estabilidad al cambio de temperatura en el ambiente

ESPECIFICACIONES DE PROCESADO DE LA SEAL

Mtodo de procesamiento: Los mtodos y la teora de funcionamiento deben explicarse. Los circuitos electrnicos y el anlisis y procesado que sufre la seal pueden expresarse por medio de funciones de transferencia.

Pueden requerirse ajustes o compensaciones de falta de linealidad de los sensores pero deben especificarse de forma clara.

Supresin del cero: Consiste en el ajuste del offset de los amplificadores para compensar los desplazamientos de la seal.

Filtrado: Pueden realizar diversos filtrados en funcin de la banda de frecuencia que se desea procesar o eliminar.

Etapa de Aislamiento

Aislamiento por acoplamiento ptico Un sistema de aislamiento ptico est constituido por

un emisor, por ejemplo un LED, y un receptor, por ejemplo un fotodiodo o un fototransistor. El conjunto de ambos permite aislar galvnicamente dos partes de un conjunto y debe, al mismo tiempo, transmitir la seal entre ambas con la menor distorsin posible.

Filtro pasa bajo de Primer orden

Filtro pasa altos de primer orden

F. Pasa bajos De Segundo Orden

F. Pasa bajos De Tercer Orden

SEALES DE CONTROL Vi = V de entrada Vr = V de referencia busy = Seal que indica conversin en proceso o END OF

CONVERSION Start = Entrada que indica al ADC inicio de conversin. HBE = High-byte Enable LBE = Low-bit Enable

a) ADC de contador

b) ADC de aproximacin sucesiva (ms utilizado actualmente)

c) ADC DE RAMPA

d) ADC CONVERTIDOR DE VOLTAJE A FRECUENCIA

e) ADC en paralelo o flash

f) ADC integrado em PIC

ES FACTIBLE DISEAR INSTRUMENTOS BIOMEDICOSDE BAJO COSTO UTILIZANDO LA CAPACIDAD DECALCULO DE LOS COMPUTADORES PERSONALES(PC).

CON LAS TCNICAS DE MULTIPROGRAMACIN ESPOSIBLE APROVECHAR LA VELOCIDAD DEADQUISICIN DE LOS PUERTOS DE LA PC.

EXISTEN TCNICAS TRADICIONALES Y EMERGENTESQUE PERMITEN CON LA MULTIPROGRAMACIN ELRECONOCIMIENTO DE PATRONES EN TIEMPO REAL.

ES NECESARIO UN MAYOR ESFUERZO EN ESTE SENTIDO

INSTRUMENTOS MDICOS BASADOS

EN COMPUTADORAS ACTUALES

ProcesamientoDigital deSeales

Biolgicas

Algoritmos Complejos

Velocidad de presentacin

Velocidad deadquisicin

Velocidad deProcesamiento

ADQUISICIN DE DATOS DE ALTA VELOCIDAD

GRAN CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO

EXCELENTE CALIDAD GRFICA

COMPUTADORAS DE LTIMA GENERACIN SISTEMAS OPERATIVOS ACTUALES

ULTIMAS TENDENCIAS

TCNICAS DE PROCESAMIENTO

Sistemas no - lineales. Basados en aprendizaje y experiencia. Semejan al proceso de razonamiento humano.

Ejemplos:

Clasificadores Redes neurales,

Sistemas difusos,

Algoritmos

genticos.

Agrupadores Posibilisticos,

Difusos.

TCNICAS BASADAS EN COMPUTACIN EMERGENTE

LOS MODULOS LCD

Son mdulos compactos ,que no es necesario utilizar muchos dispositivos externos para su uso. Este modulo es muy manejable desde un Microcontrolador PIC quien tiene todas las instrucciones para controlar el LCD existiendo el software necesario para realizar esta funcin, En este visualizador se pueden visualizar todos los datos necesarios y requeridos por el operador del sistema.

Existen de distintas dimensiones:

De 1 a 4 lneas y de 6 a 80 caracteres por lnea.

Aspecto y Posicin de un modulo LCD estndarEn este caso se muestra un GLCD que es un

LCD con funciones graficas de 128 por 64 lneas. Su principal caracterstica es que cuenta con un controlador que pueden ser un KS01008 KS0107B . Utilizndose el software de programacin y simulacin correspondiente segn el controlador que se utilice.

DISTRIBUCIN DE PINES DE UN GLCD

DESCRIPCION

Interface Microcontrolador LCD

CLASIFICACIN DE LA INSTRUMENTACIN BIOMDICA

El estudio de la instrumentacin biomdica puede realizarse al menos desde cuatro puntos de vista:

1. Las tcnicas utilizadas para obtener la media biomdica pueden clasificarse en funcin de la magnitud que se sensa, como puede ser la presin, flujo o temperatura. Una ventaja de este tipo de clasificacin es que pueden compararse fcilmente diferentes mtodos para medir un determinado parmetro.

2. Una segunda clasificacin se basa en el principio de transduccin, tales como: resistivo, inductivo, capacitivo, ultrasnico o electroqumico.

3. Las tcnicas de medida pueden estudiarse separadamente para cada sistema fisiolgico: sistema cardiovascular, respiratorio, nervioso, etc. De esta forma, pueden aislarse diferentes parmetros para cada rea especifica. pero normalmente se solapan diferentes magnitudes medidas y principios de transduccin, es decir, puede medirse la misma magnitud o parmetro en varios sistemas fisiolgicos.

4. Por ultimo, los instrumentos biomdicos pueden clasificarse en funcin de la especialidad mdica o clnica donde se utilice. Ejemplos de esta clasificacin es la instrumentacin destinada a pediatra, obstetricia, cardiologa, radiologa, etc.

CARACTERSTICAS ESTTICAS GENERALES DE LOS EQUIPOS

EXACTITUD PRECISIN RESOLUCIN REPRODUCTIBILIDAD REPITITIVIDAD CONTROL ESTTICO SENSIBILIDAD DESPLAZAMIENTO DEL ORIGEN DERIVA DE LA SENSIBILIDAD LINEALIDAD RANGOS DE ENTRADA IMPEDANCIA DE ENTRADA

CARACTERSTICAS DINMICAS DE LOS EQUIPOS En los equipos de instrumentacin . la presencia de elementos que almacenan

energa, hace que la magnitud de la entrada vare con el tiempo y la evolucin de la salida no sea simultnea. Lo que se traduce en un error dinmico y en retardo.

Por esta razn al ser la seal obtenida variable con el tiempo, aunque no existan errores estticos, existen errores entre el valor obtenido como resultado de la medida y el verdadero valor de la entrada,

Por ello es conveniente describir el transductor u equipo de instrumentacin mediante modelo matemtico simple utilizando teora de sistemas lineales invariantes con el tiempo, y as conocer el error dinmico y la velocidad de respuesta de un sensor ,y tambin es aconsejable apoyarse con el uso de diagramas de bloques.

Las caractersticas dinmicas de un sistema, equipo o sensor pueden obtenerse a partir de su funcin de transferencia obtenida de la ecuacin diferencial que modela su comportamiento.

Segn el orden de esta ecuacin, se puede hablar de equipos o transductores de orden cero, de primer orden o segundo orden. No suelen utilizarse modelos de ecuaciones diferenciales de orden superior.

Proceso de Diseo de Instrumentos Biomdicos

Diseo Inicial del InstrumentoFactores de

la Seal

Factores del Entorno

Medida

Factores Mdicos

Diseo Final del Instrumento

Homologacin

ProduccinFactoresEconmicos

Prototipo a Producir

SensibilidadRangoEntrada diferencialExactitudLinealidad

EspecificacionesRelacin Seal RuidoEstabilidadRequerimientos de Potencia,tamao,forma

Medidas Invasivas y no InvasivasToxicidad de los materialesDisconformidad de Los Pacientes

Requisitos de ConsumoComparacin con otros equipos

ESPECIFICACIONES DE SALIDA

Valores de salida: Es el margen de valores de salida que puede representar el dispositivo de salida (pantalla, carro de cinta, etc).

Rango de salida: Rango de valores de salida donde el funcionamiento es lineal y no se produce saturacin.

Potencia de salida: Representa la mxima potencia que se puede aplicar a una carga para un valor especifico de sta.

Impedancia de salida: Velocidad de representacin: Representa la velocidad para

representar datos del dispositivo de salida o pantalla. Tiempo de salida: Para equipos que no trabajan en tiempo

real, determina el tiempo que tarda procesar una seal. Interfase: modo de transmisin o comunicacin: RS-232,

IEEE488, etc.

FIABILIDAD Y POSIBLES ERRORES Exactitud: Da idea del mayor error entre el valor real y el valor medido. Repetitibilidad: Posibles variaciones de la salida ante la misma entrada

en diferentes instantes de tiempo. No-linealidad: Desviacin del modo de funcionamiento lineal. Susceptibilidad a interferencia: sensibilidad del instrumento a

interferencia y variaciones de las seales de entrada. Relacin seal/ruido: Es la relacin entre el valor de la seal (de pico o

rms) y el ruido. Estabilidad: Determina posibles derivas del instrumento en funcin del

tiempo, temperatura, humedad, etc. Modo funcionamiento: Mnimas condiciones que deben cumplirse para

que el equipo funcione correctamente o que las especificaciones no se vean profundamente alteradas.

Fiabilidad: Establece la fiabilidad del equipo y suele expresarse por medio del tiempo medio entre fallos (MTBF).

ESPECIFICACIONES FSICAS Y DIVERSAS Requisitos de alimentacin: Tensiones, frecuencia..etc. Circuitos de proteccin: Fusibles, diodos, aislantes. Cdigos y regulaciones. Requisitos del entorno: Temperatura, humedad, altitud, radiaciones, sustancias

corrosivas. Conexiones elctricas y mecnicas: Compatibilidad con otros instrumentos. Montaje: Establece si el equipo se monta solo o en rack. Dimensiones. Peso. Materiales de construccin. Accesorios y opciones. Material fungible: Establece requisitos de materias fungible o consumible:

papel, gel para ultrasonidos, electrodos, productos qumicos, etc. Condiciones de entrega: Tiempo y plazos. Garanta. Coste.

Adquisicin de seales Muchas de las seales que habitualmente se manejan son de carcter bioelctrico. Son el resultado de la conductividad elctrica que se produce en el cuerpo debido al movimiento de iones. La adquisicin de estas seales implica transformar esas corrientes de iones en corrientes elctricas susceptibles de ser manejadas por la instrumentacin electrnica. Algunos ejemplos de seales bioelctricas son el electrocardiograma (ECG), electromiograma (EMG), electroencefalograma (EEG), electrooculograma (EOG),

Bibliografa1. Barea Navarro.R. Tema 1: Introduccin y Conceptos Bsicos de la

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