5 - bioinstrumentación i - unidad i señales biomédicas

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.

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UNIDAD # 1

SENSORES Y SEALES BIOMDICAS


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



Caractersticas dinmicas - Caracterizacin del sistema:

Salida a seales tpicas

Escaln Impulso Rampa

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UNIDAD # 1



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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UNIDAD # 1



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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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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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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UNIDAD # 1




- 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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- No existe un nico retardo

- Criterio conservador: No aplicar frecuencias fuera de la zona plana

2nn

2

2n

2)(

sssH

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UNIDAD # 1



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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UNIDAD # 1



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


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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.


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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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UNIDAD # 1



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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


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33/41

Ejemplos: Potenciales evocados


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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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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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UNIDAD # 1



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


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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UNIDAD # 1



Caractersticas estticas y dinmicas Sensor de presin serie MPX2050

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