5 - bioinstrumentación i - unidad i señales biomédicas
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BIOINSTRUMENTACIN I
UNIDAD # 1
SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
1. Proceso de medida
2. Caractersticas estticas de los sistemas de medida.
3. Incertidumbre en las medida.
4. Caractersticas dinmicas de los sistemas de medida.
5. Seales ruido e interferencias.
BIOINSTRUMENTACIN I
UNIDAD # 1
SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Instrumentacin biomdica Caractersticas dinmicas
Caractersticas dinmicas - Elementos almacenadores de energa respuesta no instantnea. - Determinacin del comportamiento dinmico del sistema.
- Velocidad de respuesta (retardo)
No crtico en medidas de una sola variable. En sistemas con realimentacin posibilidad de oscilaciones.
- Error dinmico
Diferencia entre el valor medido y el valor final para un instante dado.
- Descripcin del sistema
Ecuacin diferencial Funcin de transferencia Respuesta en frecuencia
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UNIDAD # 1
SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Caractersticas dinmicas - Caracterizacin del sistema:
Salida a seales tpicas
Escaln Impulso Rampa
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-
Caractersticas dinmicas
- Seales peridicas:
Descomposicin en serie de senoides. Efecto de la respuesta frecuencial sobre las componentes de
la serie.
Deformacin y retardo en la seal de salida.
- Clasificacin de los sistemas en funcin del nmero de
elementos almacenadores de energa: orden 0, 1, 2,
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Caractersticas dinmicas - Salida para entrada sinusoidal: respuesta frecuencial
- Ganancia: |H| = yp/xp - Retardo: Td
- Desfase: = 360Td/T ( ) = 2Td/T (rad)
ftxtx 2sin)( p
H(f)x(t) y(t)
|H(f)|
f
ff
x(t)
y(t)
Td
-
x,y
t
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-
Caractersticas dinmicas - Sistema de orden cero. Ningn elemento almacenador de energa
- Ejemplo: Potencimetro:
Movimiento (circular, lineal) seal elctrica x: desplazamiento (0-1) y: tensin de salida Mdulo constante No hay desfase entre desplazamiento y tensin de salida
|H(f)|
f
ff
1-x
x
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SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Caractersticas dinmicas - Sistema de orden uno. 1 elemento almacenador de energa
- Ejemplo: Termmetro sin recubrimiento:
Almacenamiento de energa en la capacidad calorfica de la sonda No hay retardo en la transduccin, sino en alcanzar la temperatura Entrada en escaln: x(t) = u(t) (sumergir el termmetro)
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200
t/s
T/
C
Serie1
- Salida
- Error dinmico:
ed = -36,8% (t = ) ed = -13,5% (t = 2) - Retardo:
Td =
tekty 1)(
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Esp. TSU ngel R. Morales P.
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Caractersticas dinmicas - Sistema de orden uno. 1 elemento almacenador de energa
s
KsH
fj
KfH
1)( o
21)(
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-
2
2nd
d2
1arcsin
1
sin1
1)(n
te
tyt
Caractersticas dinmicas - Sistema de orden dos. 2 elementos almacenadores de energa
- Ejemplo: Termmetro con recubrimiento, sistema masa-resorte,
catter lleno de lquido
- Respuesta escaln
El retardo depende del amortiguamiento . Valor ptimo 0,5 < < 0,8
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-
Caractersticas dinmicas - Sistema de orden dos. 2 elementos almacenadores de energa
- Ejemplo: sistema masa-resorte (bscula pesa-persona)
- Entrada: impulso (rebote de una pelota)
Pulso mecnico
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 -0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3 T
ensi
n/V
t/s
V1
Vn
n ciclos
T
2n
n
V
V
n
2
ln 1
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-
Caractersticas dinmicas - Sistema de orden dos. 2 elementos almacenadores de energa
- No existe un nico retardo
- Criterio conservador: No aplicar frecuencias fuera de la zona plana
2nn
2
2n
2)(
sssH
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Instrumentacin: Ciencia y tecnologa
- Diseo y utilizacin de instrumentos fsicos
- Indicacin, observacin medida.
- Tratamiento de datos, control automtico
Instrumento: Dispositivo para medir, registrar, controlar el
valor de una magnitud en observacin
Medir: Asignar objetiva y empricamente un nmero a una
cualidad de un objeto, de forma que represente sus
propiedades
Objetivos de la instrumentacin biomdica
- Obtener informacin sobre los seres vivos
- Ayudas funcionales
Instrumentacin biomdica. Definiciones
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Finalidad de las medidas:
- Conocimiento:
a) investigacin
b) diagnstico
- Monitorizacin:
a) cuidados intensivos
b) quirfanos
c) casa, oficinas, etc.
d) Situaciones especiales
- Control no necesita ser visualizado por el usuario
Instrumentacin biomdica. Definiciones
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Medidas en seres vivos:
- Proceso:
Realizacin de medidas Diagnstico Terapia/Ciruga
Rehabilitacin
- Restricciones
a) Ausencia de patrones
b) Interaccin entre los diversos sistemas fisiolgicos
c) Algunos sistemas vivos son inaccesibles.
Instrumentacin biomdica. Definiciones
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Caractersticas de la bioinstrumentacin NO ALTERACIN de la cantidad a medir - Formas de interaccin: Fsica (directa)
Bioqumica
Fisiolgica
Psicolgica sndrome bata blanca - IDEAL: Medidas no invasivas y sin contacto
- Excepcin: Sistemas de estmulo-respuesta
VARIABLES MEDIDAS - Seales no deterministas
- Variacin de una persona a otra
- Lazos de realimentacin desconocidos i.e.: sistema nervioso - Medida simultnea de diversas magnitudes
- Mrgenes de variacin
Tensin: < 1 mV Frecuencia: DC a 20 kHz.
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Tipos de medidas - Segn sujeto/objeto a medir:
In vivo In vitro
- Segn mtodo de medida. Clasificacin temporal
De forma continua Muestreadas
- Accesibilidad
Directas: acceso directo a la variable a medir (temperatura corporal, peso)
Indirectas: - variable relacionada con la deseada (gasto cardiaco a partir de
gases respirados, composicin corporal)
- Aporte de material o energa, interaccin (rayos X).
Caractersticas de la bioinstrumentacin
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Rango de la Seal
Sensor de Presin miniatura
Clula de Carga
0 20 m/s2
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Qu es una seal?
Una seal es la representacin grafica de la informacin como una funcin de una variable independiente (Ej.: El tiempo). La salida de un aparato de medicin (Ej.: Barmetro, Antena).
t
A
T
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Tipos de seales
Seal: Componente de una variable que contiene informacin sobre el objeto. Puede ser aleatoria o determinista
- Tipos:
Analgica: Variacin continua. Informacin contenida en la amplitud Digital: Variacin discreta. Toma valores de un conjunto finito - Amplitud:
Diferencia entre el mximo positivo y el mximo negativo (pico a pico)
La raz cuadrada media de la amplitud (rms) es conveniente para medir la variabilidad de la seal
- Potencia: Es el tiempo promedio del cuadrado de la variable
- Espectro de potencia: Distribucin de la potencia correspondiente a
las componentes de frecuencia de una variable.
2x(t)
2)(tx
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Fuentes tpicas de seales biomdicas
Elctricas: ECG, EMG, EEG, EOG Imgenes: MRI (Resonancia magntica), Ultrasonido. Sensores (Transduccin mecnico-elctrica): Strain gauge, transductores de fuerza o presin, temperatura. Sensores a nivel microscpico (celular): foto celdas, electrodos bioactivos.
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Seales discretas y continuas
Continuas: seales definidas en todas las instancias del tiempo: x(t), p(t)
Discretas: seales que solo asumen ciertos valores (enteros) definidos: x[0], x[1], etc.
Las seales discretas pueden tambin nacer del muestreado de seales de naturaleza continua.
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Tipos de seales
Determinsticas (Ej.: Onda Senoidal, step (Pasos) y el impulso ): Predecibles
Estocsticas (Ej.: Ritmo Cardaco): probabilidad
Fractales (Ej.: SMA Arterial).
Caticas: determinsticas pero no predecibles en el futuro. (Ej.: Respiracin, EEG).
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-
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-
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Interfaz: - Elementos que modifican la seal.
- Trabajan en el dominio elctrico.
- Tambin sirve para convertir el dominio de datos, ej.: convertidor A-D.
Dominio de datos: - Nombre de una cantidad usada para representar o transmitir informacin.
- Tipos de dominios:
Analgicos: la informacin viene dada en la amplitud - Carga.
- Tensin.
- Temporal: la informacin viene dada en el tiempo - Periodo o frecuencia.
- Ancho de pulso.
-
Interfaces, dominio de datos y conversin
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Digital: La seal slo tiene 2 valores - Cuentas (nmero de pulsos)
- Cdigos
-
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Estructura de un sistema de medida
Mesurando
Transductor de
entrada
(detector)
Acondicionador
de seal
Transductor de
salida
(registrador o
display)
Fuente de
alimentacin
auxiliar
Fuente de
alimentacin de
entrada
Seal de
calibracin
Seal
de
entrada
Seal
transducida Seal de
salida
Entrada Salida: Flujo primario de informacin. Salida Entrada: Realimentacin. Siempre presente (deliberada o parsita).
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Ejemplos: Marcapasos de demanda
Estructura de un sistema de medida
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33/41
Ejemplos: Potenciales evocados
Estructura de un sistema de medida
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Clasificacin de la bioinstrumentacin Criterios de clasificacin - Segn MAGNITUD MEDIDA
Presin Flujo Temperatura ... - Segn PRINCIPIO DE TRANSDUCCIN
Resistivos Inductivos Capacitivos - Segn SISTEMA FISIOLGICO bajo medida
Cardiovascular Respiratorio
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Parmetro Margen de
medida Ancho de banda (Hz) transductor
Flujo sanguneo 1-300 ml/s 0-20 Flujometro
Presin sangunea 10-400 mmHg 0-50 Varios
Gases en sangre
PO2
30-100 mmHg 0-2 Electroqumico
PCO2 40-100 mmHg 0-2 Electroqumico
PN2 1-3 mmHg 0-2 Electroqumico
PCO 0,1-0,4 mmHg 0-2 Electroqumico
PH 6,8-7,8 unidades ph 0-2 Electroqumico
Gasto cardiaco 4-25 l/m 0-20 Dilucin
Caractersticas de la bioinstrumentacin Seales a medir y mrgenes de variacin
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Parmetro Margen de
medida
Ancho de banda
(Hz) transductor
ECG 0,5-4 mV 0,01-250 Electrodos
EEG 5-300 V 0-150 Electrodos
ECoG 10-500 V 0-150 Electrodo quirrgico
EMG 0,1-5 mV 0-10K Electrodo de aguja
Temperatura 32-40 oC 0-0,1 Termistor
Respiracin 2-50 rpm 0,1-10 Electrodos
Pletismografia Segn rgano 0-30 Cmara de
desplazamiento
Fonocardiografa 80 dB 5-2K Micrfono
Caractersticas de la bioinstrumentacin Seales a medir y mrgenes de variacin
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SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Interferencias y perturbaciones internas: - Interferencias: perturbaciones externas inherentes al principio de medida - Perturbaciones internas:
Debidas al sistema de medida. Entradas modificadoras Afectan indirectamente a la salida debido a su efecto sobre las caractersticas del sistema de medida
FI
FP,I
FP,S
FS
y(t)
yI(t)
yS(t)
xI
xP
xS
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SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Qu es ruido?
Componentes indeseados de una seal. [Se debe definir a priori que es definido como componentes deseados o no de una seal].
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SENSORES BIOMDICOS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Ejemplo: Electrocardiograma - Interferencias: Campo elctrico de 60 Hz
- Perturbaciones: Orientacin de los cables
Fluctuacin impedancia electrodos
Ruido
RESULTADO: - ECG + 60 Hz a la salida
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SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
-
Caractersticas estticas y dinmicas Sensor de presin serie MPX2050
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