01 bioseñales y sensores

R.R.Horta O., Biónica, UPIITA. 1

BIOSEÑALES

Las señales biológicas son registros en el espacio, tiempo o espacio-tiempo de eventos biológicos tales como el latido cardiaco, o la contracción de un músculo. La actividad eléctrica, química o mecánica que ocurre en este evento biológico produce señales que pueden ser medidas y analizadas. Así, las bioseñales pueden explicar los mecanismos fisiológicos subyacentes de un sistema o evento fisiológico.Las bioseñales pueden obtenerse de muchas formas, p.e., el médico que eschucha los ruidos cardiacos del paciente con un estetoscopio o utilizando un equipo altamente sofisticado.


SEÑALES BIOELÉCTRICAS

El sistema nerviosos y las células musculares generan señales bioeléctricas que son resultado de cambios electroquímicos dentro y entre células. Si una célula nerviosa o muscular es estimulada lo suficiente, se generará un potencial de acción (PA). Este representa el flujo de iones a través de la membrana celular y puede ser medido utilizando electrodos intracelulares. El PA generado por una célula excitada es transmitido a las contíguas. Cuando se tienen muchas células en este estado, se forma un campo eléctrico que se propaga a traves del medio biológico. Los cambios en el potencial extracelular se pueden medir en la superficie del organo u organismo con electródos de superficie. Ejemplos de este fenómeno son el electrocardiograma (ECG), electromiograma (EMG) y el electroencefalograma (EEG).


SEÑALES BIOMAGNÉTICAS

Diferentes organos, como el corazón, el cerebro, los pulmones, etc., generan campos magnéticos que son débiles en comparación con otros cambios eléctricos en ellos. El Biomagnetismo es la medición de señales magnéticas que estan asociadas a una actividad fisiológica específica. Así, las señales Biomagnéticas proporcionan valiosa información adicional que no se obtiene de las señales Bioeléctricas, como p.e. en la actividad intracelular.


SEÑALES BIOQUÍMICAS

Las señales Bioquímicas contienen información acerca de los niveles y cambios de los agentes químicos del cuerpo. Por ejemplo, se puede registrar y medir la concentración de varios iones como del calcio y potacio así como los cambios en la presión parcial del oxígeno (pO2) y del dióxido de carbono (pCO2) en la sangre o sistema respiratorio. Estas señales Bioquímicas se utilizan para la determinación de otros estados, como niveles de glucosa, lactosa, metabolitos, etc., y nos proporcionan información acerca de la función de los sistemas fisiológicos.


SEÑALES BIOMECÁNICAS

Las señales Biomecánicas son resultado de las funciones mecánicas de un sistema biológico, como el movimiento, desplazamiento, tensión, fuerza, presión y flujo. La presión sanguínea, p.e., es la medición de la fuerza que la sangre ejerce en las paredes de las arterias. Los cambios en la presión sanguínea se registran como una forma de onda en la cual las crestas representan la contracción de los ventrículos, expulsando la sangre del corazón hacia el cuerpo, siendo ésta la máxima presión sanguínea, la presión sistólica. Los valles de la forma de onda representa la relajación de los ventrículos y la presión sanguínea cáe al valor mínimo, la presión diastólica.


SEÑALES BIOACÚSTICAS

Las señales Bioacústicas son parte importante de las señales Biomecánicas, en el sentido de vibración (ó movimiento). Muchos eventos biológicos producen ruido acústico. El flujo de sangre, p.e., en las válvulas cardiacas produce un sonido distintivo. La medición de las señales Bioacústicas de las válvulas cardiacas ayudan a determinar el funcionamiento apropiado de éstas. Algunos músculos y el sistema respiratorio generan también señales Bioacústicas que se propagan a través del medio biológico y pueden ser registradas y medidas en la superficie de la piel utilizando transductores acústicos, como microfonos y acelerómetros.


SEÑALES BIOÓPTICAS

Las señales Bioópticas se generan de los atributos ópticos de los sistemas biológicos. Algunas señales Bioópticas se obtienen naturalmente o, en otros casos, son inducidas utilizando técnicas biomédicas. El estado de salud de un feto, p.e., puede determinarse midiendo las propiedades fluorescentes del líquido amniótico. Se puede hacer una estimación del gasto cardiaco utilizando el método de dilución de un colorante y que implica el monitoreo contínuo de la concentración de éste y de cómo recircula en el sistema.

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SISTEMA HOMBRE INSTRUMENTO

Las señales biológicas o bioseñales, son primeramente detectadas en un medio biológico, como desde el interior de una célula hasta en la superficie de la piel a través de un sensor. El sensor convierte la medida física en salida eléctrica y constituye la interfase entre el sistema biológico y el instrumento de medición y registro. Se tiene entonces un sistema único constituido por el medio biológico y el instrumento de registro y medición. Cuando este sistema biológico esta constituido por un ser humano se dice que se tiene un Sistema Hombre Instrumento, el cual deberá cumplir con un mínimo de requerimientos de seguridad, como de corrientes de fuga de los electrodos, chasis, etc., a tierra física, entre otros.


SENSORES BIOMÉDICOS

Los sensores biomédicos son usados en la medicina clínica y en la investigación biológica y biotecnológica para medir un amplio rango de variables fisiológicas y biológicas. Un sensor es un elemento capaz de transformar un tipo de energía a otro que, junto con un acondicionador de señal, es llamado Transductor. Por ejemplo, la corriente iónica de la actividad eléctrica del corazón, músculos, etc., propagándose a través de los fluidos corporales, considerados como conductores de volumen, son transformados a corriente eléctrica gracias a los electrodos de superficie de Plata-Cloruro de Plata (sensores) y el gel correspondiente.


TRANSDUCTORES BIOMÉDICOS

Para la medición de la presión arterial invasiva, p.e., se utilizan sensores de deformación como gálgas extensiométricas o cristales de cuarzo, que junto a un arreglo resistivo tipo puente, nos proporciona una señal eléctrica correspondiente a la presión arterial. Esto es un transductor.Estos sensores y transductores son rutinariamente utilizados in vivo para efectuar el monitoreo continuo de variables fisiológicas críticas de forma invasiva (dentro del cuerpo) o no invasiva (fuera del cuerpo), así como también in Vitro para procedimiento de diagnóstico (análisis de sangre, p.e.) o bien en ex vivo para otro tipo de procedimiento de diagnóstico (análisis microbianos, p.e.).


CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES BIOMÉDICOS

Se suelen clasificar como físicos, eléctricos o químicos dependiendo de la aplicación específica. Los Biosensores, considerados una subclasificación de los sensores biomédicos, son un grupo de sensores con dos componentes: a) un elemento de reconocimiento biológico, como una enzima purificada, un tipo de anticuerpo o receptor, el cual funcione como mediador y provea la selectividad deseada para detectar el componente de interés y b) una estructura de soporte que actúe también como transductor y esté en contacto íntimo con el componente biológico. El propósito del transductor es convertir la reacción química en otra forma cuantificable: óptica, eléctrica u otra señal física.


MEDICIÓN DE BIOPOTENCIALES

En la medición de Biopotenciales, se utilizan diferentes clases de electrodos especializados. La función de estos electrodos es acoplar los potenciales iónicos generados dentro del cuerpo a un instrumento electrónico. Los electrodos para la medición de Biopotenciales se clasifican como no invasivos (en la superficie de la piel) e invasivos (dentro del cuerpo), por ejemplo, microelectrodos o electrodos de aguja.


INTERFASE METAL/ELECTROLITO

Cuando un metal es colocado en una solución electrolítica (ionizable), se crea una distribución de carga en la interfase metal/electrolito. Así se genera un potencial llamado potencial de media celda (HCP). En la tabla se muestran los HCP de algunos metales. Nótese que el electrodo de hidrogeno se utiliza como referencia para la medición de los HCP de los demás.


ELECTRODOS DE ECGLos electrodos superficiales para el registro de biopotenciales suelen ser placas rígidas de una aleación de zinc, níquel y plata. Algunos de estos se sujetan a la piel por medio de una cinta elástica o con cinta engomada y con un gel electrolítico que debe ser aplicado entre el metal y la piel para establecer un buen contacto eléctrico. Los principales ingredientes del gel electrolítico, son agua y sales iónicas como NaCl y KCl. También hay electrodos de succión, para ECG, los cuales se pueden mover fácilmente de un lugar a otro para diferentes mediciones. Un 3er. tipo, es el electrodo flexible, hecho de polímeros conductores debido al carbón y metales disueltos y con un gel de AgCl. El electrodo más común es el “flotante” Ag/AgCl, con un fino depósito electroquímico de AgCl en la pláca de Ag y una “almoadilla” saturada en pasta electrolítica.


ELECTRODOS DE ECG


ELECTRODOS PARA EMG

Existen varios tipos de electrodos para el registro de estos biopotenciales. De las propiedades eléctricas de estos electrodos, así como de la zona de interés, es la forma y tamaño de la señal registrada. Para registros superficiales de EMG y estudios de conducción nerviosa, suelen ser circulares de 1 cm de diámetro y hechos de plata o platino. Para mediciones directas de fibras musculares o nerviosas se utilizan electrodos percutaneos de aguja:


ELECTRODOS PARA EMG

El electrodo de aguja más común es el bipolar concéntrico (a), hecho de 2 alambres encapsulados en una aguja hipodérmica o cánula. Los alambres sirven tanto para registro como de referencia.

Otro tipo de electrodo percutáneo de EMG es el de aguja unipolar (b). Este consta de un fino alambre aislado con Teflón y con cerca de 0.3 mm en la punta sin aislar. A diferencia del bipolar, éste requiere un segundo electrodo de referencia en forma adyacente ó en la superficie de la piel, para cerrar el circuito.


ELECTRODOS PARA EEG

Los electrodos más comunes para el registro de biopotenciales cerebrales (electroencefalografía) son los electrodos de copa y los electrodos subcutáneos. Los de copa están hechos de platino ó estaño con aproximadamente 5-10 mm de diámetro. Se rellenan de gel electrolítico y se sujetan al cuero cabelludo con cinta adhesiva. Los electrodos subcutáneos son básicamente electrodos de aguja hechos de platino o acero inoxidable con 10 mm de longitud y 0.5 mm de diámetro. Se insertan debajo de la piel para proveer un mejor contacto.


MICROELECTRODOS

Son electrodos con punta enconada tan fina que pueden insertarse en células biológicas individuales. Se utilizan para el registro de potenciales de acción en estudios neurofisiológicos. La punta debe ser más pequeña que la célula para evitar daño a ésta y lo suficientemente fuerte para poder penetrar la pared celular. Se tienen 3 microelectrodos típicos: a) Micropipetas de vidrio, con diámetro de 0.1-10 µm, rellenas de KCl al 3M de solución electrolítica y un filamento de platino Ag/AgCl; b) Microelectrodos de metal duro, tungsteno o acero inoxidable, con punta afilada electroquímicamente y aislado hasta casi la punta con diámetro de unas pocas µm; c) Microelectrodos de estado sólido, para registros multicanal en neuronas cerebrales o en medula espinal.


MICROELECTRODOS


TRANSDUCTORES DE TEMPERATURALa temperatura del cuerpo es una de las variables fisiológicas más rigurosamente monitoreadas y controladas. En el interior del cuerpo es constante, de 37°C ±0.5°C. Temperaturas diferentes son síntoma de algún padecimiento o infección. La medición suele hacerse en las axilas o en cavidades como la boca o el recto. Comúnmente se utilizan los termistores, hechos de óxido de varios metales como Níquel, Manganeso y Cobalto, dado que cambian su valor resistivo con un coeficiente negativo con los cambios de temperatura:


TRANSDUCTORES DE TEMPERATURAMatemáticamente, la resistencia del termistor depende de la temperatura como:

Donde Ro es la resistencia a una temperatura de referencia To (en °K), y β es una constante del material (entre 2500 y 5500°K).

Otra técnica, es la de utilizar una guía de radiación (especulo) infrarroja con laminación de oro, hacia un sensor térmico aislado del medio ambiente para evitar corrimientos:

−=

OOT TT

RR11

exp β


TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

En la técnica de termodilución sanguínea, se utiliza un termistor para medir la caída de temperatura debido a la inyección de una cantidad conocida de agua salina (de 0 a 5°C) en la vena femoral o yugular. Se miden tiempos y la caída de temperatura en la arteria pulmonar. Finalmente se puede hacer la correlación al volumen sanguíneo expulsado por el corazón por minuto:


GASES EN SANGRE Y SENSORES DE pH

Las mediciones de gases en sangre arterial (pO2 y pCO2) y pH es realizada frecuentemente para pacientes críticos en cirugía o en Unidades de Cuidados Intensivos y usadas por fisiólogos para determinar algún ajuste en la ventilación mecánica o para la administración de fármacos. Estas mediciones proporcionan información acerca de los desbalances metabólicos y respiratorios en el cuerpo y reflejan lo adecuado de la oxigenación de la sangre y eliminación de CO2.

Tradicionalmente, este tipo de análisis se efectúa substrayendo sangre de una arteria periférica. La muestra es entonces llevada al Laboratorio Clínico para su análisis. Sin embargo, algunas veces los fisiólogos tienen la necesidad de contar con los resultados de forma inmediata, debido a la inestabilidad del paciente y su estado crítico.


Existen sensores no invasivos para la medición de O2 y CO2 en sangre basados en el descubrimiento de que estos gases pueden difundirse a través de la piel, debido a la diferencia de presión que se establece. Esto ha llevado al desarrollo de sensores electroquímicos no invasivos para el monitoreo de pO2 y pCO2 de forma transcutanea. Mas aún, el descubrimiento de que la sangre cambia de color dependiendo de la cantidad de oxígeno ligado a la hemoglobina en los eritrocitos, ha llevado al desarrollo de métodos ópticos para medir la saturación de oxígeno en sangre.


Manejo de Tanques de O2

Hay que saber y recordar que cuando se manejen los tanques y válvulas de un sistema de O2, se debe evitar el uso de lubricantes tales como grasas y aceites. Esto es debido a que el contacto del O2 con estas sustancias puede provocar combustión y poner en riesgo el área en que se encuentre.

TAREA para derecho a examen: Llenar TRES HOJAS tamaño carta, letra pequeña, una frase tras otra: “No exponer grasas ni aceites al oxígeno”.


TRANSDUCTORES DE FLUJO DE AIREEstos transductores miden las caídas de presión provocadas por una pequeña “pantalla” en la parte media del tubo. Éste es cónico para propiciar un flujo laminar del aire exhalado. Esta caída de presión es medida con un transductor de presión diferencial y la señal obtenida es proporcional a la velocidad del aire. También contiene un calefactor para evitar que se condense el vapor de agua. Se le llama “Neumotacómetro” y es posible medir volumenes, flujos y frecuencias respiratorias:


Ventilación Pulmonar

El método tradicional de proporcionar asistencia ventilatoria mecánica está basado en la aplicación de presión positiva (PPV) al sistema pulmonar. El flujo de gas se administra a través de una vía aérea artificial mediante un tubo endotraqueal, un tubo nasotraqueal o bien mediante una cánula en la traqueotomía. Los ventiladores se pueden clasificar en:

a) Controlados por volumen: Suministran un flujo inspiratorio hasta alcanzar el volumen fijado previamente, este tipo de ventilador proporciona siempre el mismo volumen corriente independiente de la resistencia que ofrezca el sistema respiratorio del paciente.


b) Controlados por presión: Suministran flujo inspiratorio hasta alcanzar una presión fijada previamente.

c) Controlados por t iempo: Suministran gases hasta que se cumpla el tiempo de inspiración fijado previamente.

d) Venti lación de alta frecuencia: Suministran una mayor frecuencia respiratoria, de manera que se puede administrar un volumen más bajo.


Ventilación Pulmonar

Se tienen también los MODOS VENTILATORIOS, estos son según la forma en que se inicia el ciclo inspiratorio: IPPV, respiración espontánea, CMV, etc.

Los riesgos que se deberán tomar en cuenta son:•Barotrauma, ocurre cuando un gradiente de presión elevada se establece entre los alvéolos y el lecho vascular adyacente produciendo ruptura de los alvéolos sobredistendidos, el riesgo de barotrauma aumenta con la imposición de presiones externas mayores que el nivel de presión máximo de la inspiración. •Intoxicación por oxígeno, generada por la administración prolongada de altas concentraciones de oxígeno. •Cantidad de vapor de agua en el gas, temperatura, etc.


MEDICIONES FÍSICAS

TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO.- Los transductores inductivos de desplazamiento están basados en una bobina L:

L=n2Gµdonde G es una constante de forma geométrica, n es el número de espiras y µ es la permeabilidad del medio. La variación de la propia inductancia o de la inductancia mutua entre dos o más, es un indicativo del desplazamiento, típicamente a través de un núcleo móvil de ferrita o hierro.El tipo más usado el el llamado Transformador Lineal Variable Diferencial (LVDT), el cual consta de 3 bobinas, una primaria (P) y dos secundarias (S1 y S2) conectadas en serie pero con polaridad opuesta para alcanzar un amplio margen de respuesta. Las 3 inductancias mutuas son alteradas por el movimiento del núcleo ferromagnético. Vin es un voltaje alterno el cual induce a través del núcleo un campo magnético alterno en los secundarios pero en sentidos opuestos. Con el núcleo en el centro, el voltaje neto de salida es cero. El voltaje inducido es entonces proporcional al desplazamiento del núcleo.


TRANSDUCTOR LVDT Y SU RESPUESTA


TRANSDUCTOR DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICO

El flujo de sangre, con velocidad u, a través de un vaso sanguíneo de diámetro l y colocado en un campo magnético B perpendicular al flujo, provoca la separación de aniones y cationes debido a una fuerza F, normal a B y al flujo sanguíneo:

donde q es la unidad de carga elemental. La separación de estas partículas moviéndose sobre la pared interna del vaso genera una fuerza contraria Fo :

donde E es el campo eléctrico debido al movimiento de las partículas cargadas y V es el potencial a través del vaso:

Así el V es proporcional al flujo de sangre. En equilibrio, V=0.

( )BuqF ×=

==l

VqEqFO

BluV =


TRANSDUCTOR DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICO

Es un probador de gancho que queda ajustado al vaso sanguíneo y contiene bobinas eléctricas para producir un campo magnético transversal al flujo sanguíneo. Además contiene dos electrodos para el sensado de los biopotenciales inducidos. El voltaje de flujo inducido tiene la misma frecuencia de la excitación magnética.

Se evitan errores de corrimiento de voltaje utilizando voltaje de AC.


TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO

Un potenciómetro es un transductor tipo resistivo que convierte un desplazamiento lineal o angular en un voltaje de salida, a través de un contacto deslizable a lo largo de la superficie del elemento.


TRANSDUCTOR ELÁSTICO RESISTIVO

Algunas veces es deseable medir los cambios de volumen en alguna extremidad cuando el flujo sanguíneo es temporalmente ocluido. Esto es la Pletismografía, para la detección de coágulos sanguíneos. Ajustando un transductor elástico resistivo en una pierna, se mide la razón de cambio de la resistencia en el tiempo. Con la existencia de un coagulo, el volumen de sangre tardará más tiempo en desalojar la extremidad a través de las venas después de remover la oclusión. El cálculo de la variación resistiva está dado por un Factor de Estiramiento proporcionado por el fabricante:

Un transductor elástico similar se utiliza para el seguimiento de los ciclos respiratorios, sujetando la banda elástica al tórax.

=

.

..Inic

FinalFINAL l

lEFR


TRANSDUCTOR ELÁSTICO RESISTIVO


MEDICIONES FÍSICAS

TRANSDUCTORES DE TENSIÓN.- Los transductores de tensión miden los cambios en la longitud de un objeto debido a una fuerza aplicada. Producen un cambio proporcional de resistencia en respuesta a un cambio fraccional (∆l) en la longitud del objeto o tensión S:

Por ejemplo, un conductor de longitud l, área transversal A y resistividad ρ , tiene una resistencia:

ll

S∆=

=

Al

R ρ


Si se somete a una tensión, dentro de su límite de elasticidad, ∆l, el volumen debe permanecer constante:

Por lo que:

Para un conductor metálico como el Constantán, G es aproximadamente 2. Los de tipo semiconductor tienen una G de 70 a 100 veces mayor, por lo que son más sensitivos.

A

lRR

A

llR

ll

lAAAlllA

tt

t

tt

ρρ −=∆⇒

∆+=⇒

∆+=∴∆+=

)( )(

( ) ( )

Tensión. deFactor 2

22

2 2222

⇒≈∆

∆=→

∆=∆=∆⇒−∆+∆+=−∆+=∆

llRR

G

ll

RA

lR

Allllll

Al

lAll

R ρρρρ


TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

Las galgas extensométricas se clasifican típicamente en “unidas” y “no unidas”. Un transductor de tensión unido consta de un filamento conductor resistivo depositado sobre una placa semiflexible:

Este conductor resistivo, modifica su valor óhmico cuando es sometido a alguna deformación que lo estreche o alargue.


TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

Un transductor de presión no unido consta de varios (4) filamentos resistivos depositados entre una placa rígida móvil y un marco rígido estático. Cuando una fuerza deformante actúa sobre esta estructura, dos de los filamentos se estrecha y los otros se alargan. Esta configuración en Puente Resistivo se utiliza en los transductores de presión sanguínea invasivos:


TRANSDUCTOR DE DESPLAZAMIENTO CAPACITIVO

La capacitancia C entre dos placas iguales paralelas de sección transversal A y separadas una distancia d es:

Donde εo es la Cte. Dieléctrica en vacío y εr es la relativa del material aislante

entre las placas.

El método común de uso, es conservar inmóvil una placa mientras la otra se mueve, variando d:

=

d

AC roεε

Se utiliza para medir respiración ó movimientos del paciente y a veces como transductor de presión sanguínea.


TRANSDUCTOR DE EFECTO PIEZOELÉCTRICO

Son usados extensamente en cardiología para escuchar los sonidos cardiacos (fonocariografía), presión sanguínea y en general, para medir fuerzas y aceleraciones fisiológicas. Pueden emitir ondas acústicas ultrasónicas (>20Khz) para medir flujo sanguíneo y visualizar estructuras de órganos internos. El principio piezoeléctrico consiste en que al deformar una malla de moléculas cristalinas asimétricas con una fuerza F, las cargas positivas y negativas son reorientadas y se inducen densidades de carga superficial opuestas en las caras del cristal.

Estas cargas son directamente proporcionales a la fuerza aplicada:

CQ

V kFQ =∴=


BIBLIOGRAFÍA

-Enderle J., Blanchard S., Bronzino J.INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ENGINEERINGEd. Academic Press, 2000, p. 1076.-DuBovy, J.INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ELECTRONICSEd. McGraw Hill, 1978, p. 391

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