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Dr. Ing. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica
Universidad Nacional de San [email protected]
Mediciones en Electrofisiología
BIOINSTRUMENTACIÓN II
Indice
Introducción
Eventos Bioeléctricos
Señales Biomédicas
Electrodos
Índice
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Indice
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Introducción
Muchos equipos actuales de diagnóstico y tratamiento se basan en la adquisición y análisis de los potenciales eléctricos generados por el cuerpo humano.
Indice
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Introducción
Electrocardiógrafo Electroencefalógrafo
Equipos de consultorio
Indice
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Introducción
Electromiógrafo
Equipos de consultorio
Indice
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Introducción
Holter
Equipos portátiles
Marcapasos
Indice
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• Los potenciales eléctricos de origen biológico se denominan“potenciales bioeléctricos” o simplemente “biopotenciales”.
• El registro de estos biopotenciales permite estudiar el comportamientoeléctrico de los diferentes órganos o sistemas del cuerpo humano.
BiopotencialesEventos Bioeléctricos
Indice
Electrocardiografía(ECG)
Electroencefalografía(EEG)
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Electromiografía(EMG)
• El ánalisis visual o automático de los registros obtenidos da origen avarias técnicas de diagnóstico.
Eventos Bioeléctricos
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• Además de las técnicas anteriores de diagnóstico existen otrastécnicas basadas en biopotenciales menos conocidas pero de granpotencialidad clínica.
Electrooculografía(EOG)
Interfaz cerebro-computadora basada en EOG
Eventos Bioeléctricos
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•Otras técnicas combinan el uso de la adquisición de varias señales de origen bioeléctrico.
Polisomnografía(PSG)
Registro de varias señales biomédicas durante el SUEÑO
Imagen Comercial Laboratorio de sueño
• Este estudio está indicado para personas con trastornos de sueño.
Eventos Bioeléctricos
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• En un estudio polisomnográfico deben registrarse varias señalesen la cabeza del paciente.
EOG 1
EOG 2
EMG
EEG
• Asimismo debe evaluarse la actividad cardíaca y respiratoria delpaciente.
Eventos Bioeléctricos
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Polisomnografía(PSG) ¡¡¡Hasta 15 señales y signos vitales diferentes!!!
Eventos Bioeléctricos
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13¡¡¡Señales muy diferentes en amplitud y frecuencia!!!
Reg
istr
o P
SG
EOG 1
EOG 2
EMG
EEG 1
EEG 2
EEG 3
EEG 4
EMG
RESP 1
RESP 2
EGC
SaO2
Eventos Bioeléctricos
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Señales BioeléctricasElectrocardiograma (ECG)
• Las células cardíacas posen en reposo una diferencia de potencialentre el interior y exterior de la membrana celular
• Si una célula es excitada con un estímulo eléctrico de intensidad adecuada se produce un intercambio de iones a través de la membrana dando comoresultado un “Potencial de Acción”.
PTR = Potencial Transmembrana deReposo (-90 mV)
PU = Potencial Umbral ( • -70 mV)
Fase 0 = Despolarización
Fase 1 = Polarización inversa
Fase 2 = Meseta (o Plateau)
Fase 3 = Repolarización final
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• El ECG es el resultado de la superposición de los poten-ciales de acción de las células cardíacas.
Electrocardiograma (ECG)
Señales Bioeléctricas
Indice
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Electrocardiograma (ECG)
Señales Bioeléctricas
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Electroencefalograma (EEG)
• El EEG es el registro gráfico de la actividad eléctrica del cerebro.
• El EEG está formado por varios ritmos cerebrales conocidos como:
• • (f < 4 Hz)
• • (4 Hz < f < 8 Hz)
• • (8 Hz < f < 14 Hz)
• • (14 Hz < f < 30 Hz)
Señales Bioeléctricas
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Electroencefalograma (EEG)
• El EEG presenta diferentes fases o estadíos durante el sueño.
Señales Bioeléctricas
Awake: Despierto
Estadío 1: Somnolencia
Estadío 2: Sueño ligero
Estadío 3: Sueño normal
Estadío 4: Sueño profundo
REM: Movimiento ocular rápido
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Electromiograma (EMG)
• El EMG es el registro gráfico de la actividad eléctrica muscular.
• El EMG es el resultado de la suma de potenciales de acción de las fibras musculares
Señales Bioeléctricas
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Electrooculograma (EOG)
• El ojo humano se comporta como un “dipolo” teniendo la córnea un potencial positivo y la retina un potencial negativo.
• Los movimientos ocularesproducen cambios en laorientación espacial deldipolo que pueden serregistrados con electrodoscolocados en la cercanía delos ojos.
Señales Bioeléctricas
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Lugar Nombre del registro Amplitud Ancho de Banda [Hz]
Células Electrograma (EG) Registro IntracelularRegistro Extracelular
50 - 100 mV2 - 3 mV
DC – 100001000 - 10000
Corazón Electrocardiograma (ECG) ConvencionalAlta resolución
2 - 3 mV2 - 3 mV
0.05 – 1000.05 – 250
Cerebro Electroencefalograma (EEG) 5 – 300 µV 0.1 - 100
Músculo Electromiograma (EMG) 0.1 – 5 mV 50 – 5000
Ojo Electrooculograma (EOG) 50 µV - 350 mV 0.1 - 10Hz
Estómago EGG (electrogastrograma) 10 - 1000 mV DC - 1
Valores típicos de las señales bioeléctricas
Señales Bioeléctricas
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Valores típicos de las señales bioeléctricas
Señales Bioeléctricas
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• Un electrodo es un dispositivo que puede ser usado para:
• Los electrodos pueden ser de contacto óhmico o capacitivo
• La mayoría de las señales bioeléctricas son captadas con electrodos de contacto óhmico que son puestos en contacto con el tejido a estudiar por medio de un electrolito.
- Medir un evento bioeléctrico Bajas densidades de corriente
- Estimular un tejido excitable Altas densidades de corriente
Electrodos
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• El electrodo consiste de átomos de un metal C. El electrolito es una solución acuosa que contiene cationes (iones positivos) del electrodo metálico C+ y aniones (iones negativos) de la solución acuosa A-.
Interfase electrodo-electrolito
Electrodos
• La interfase electrodo-electrolito puede ser modelada como una fuente de tensión continua (DC), un capacitor y una resistencia.
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• El potencial desarollado en la interfase electrodo-electrolito se denomina “potencial de media celda”
Potencial de electrodo
Electrodos
• Este potencial depende del metal usado en el electrodo y de la solución usada en el electrolito.
• Este potencial varía también con la temperatura.
• En los electrodos usados comúnmente en Bioinstrumentación, este potencial de DC es mucho mayor que la amplitud de la señal a medir, por lo que debe ser eliminado o filtrado.
Indice
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Potencial de electrodo
Electrodos
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• Además del potencial de media celda, cada electrodo tiene una impedancia asociada a los materiales de la interfase y área del electrodo.
Impedancia de electrodo
Electrodos
• Warburg propuso un modelo simplificado de la interfase electro-electrolito basado en un circuito RC en serie con un potencial E
• Este modelo presenta el inconveniente de que la impedancia es infinita para f=0. Ello no ocurre en la práctica, por lo que se agrega una resistencia Rf en paralelo
Indice
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Electrodos
Indice
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• La medida de los potenciales bioeléctricos en un sujeto requiere de dos electrodos.
Electrodos sobre un sujeto
Electrodos
Indice
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• El amplificador de un equipo registrador de eventos bioeléctricosdebe medir el potencial bioeléctrico sin drenar corriente.
Impedancia de entrada del amplificador
Electrodos
• Para ello, la impedancia de entrada (Zin) del amplificador debe ser mucho más alta que la impedancia del electrodo en todo el rango de frecuencia del evento bioeléctrico.
• Si la Zin no es alta, se produce distorsión en la señal medida:- Reducción en amplitud del evento eléctrico.- Se modifica la morfología de la señal, debido a que la amplitud y fase
son diferentes para cada componente espectral.- La impedancia no será lineal y dependerá de la amplitud del evento
bioeléctrico
• Dado que la impedancia del electrodo varía en forma inversa con el área del mismo, para microelectrodos se requiere usar amplificadores con altísima impedancia de entrada.
Indice
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• MICROELECTRODOS Para medir potenciales bioeléctricoscerca o dentro de una célula.
Tipo de electrodos
Electrodos
• SUPERFICIALES Para medir potenciales ECG, EEG y EMGen la superficie de la piel.
• PERCUTÁNEOS Atraviesan la piel para registrar potencialesEEG en una región específica del cerebro opotenciales EMG en un músculo
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Electrodos Superficiales
Electrodos
• Electrodos de placa y disco.• Electrodos de succión.• Electrodos huecos o flotantes.• Electrodos flexibles.• Electrodos secos.
- Los electrodos superficiales se clasifican en
- Registran los potenciales directamente en la superficie corporal, por lo que no son invasivos.
- Para obtener un buen registro con bajo nivel de ruido debe reducirse la impedancia electrodo-piel.1) Afeitar la zona y limpiar con alcohol hasta enrojecer la piel2) Fijar correctamente el electrodo para reducir los artefactos de
movimiento
(a) Electrodo de placa de metal utilizado para su aplicación a las extremidades.
(b) Electrodo de disco de metal aplicado con cinta quirúrgica.
(c) Electrodos desechables en forma de disco, utilizados con equipos de monitorización electrocardiográfica.
Electrodos de placa y de disco
Electrodos
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Electrodo metálico de succión (utilizado en las derivaciones precordiales de los electrocardiógrafos).
Electrodos de succión
Electrodos
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Estos electrodos ofrecen mayor estabilidad al movimiento.
Anillo de cinta adhesiva
Empaquetado para aislamiento
Disco de metal
Gel electrolito en reposo(a)
(b)
Ag-AgCl Agarre externo
Copa plástica
Placa
Disco plástico
Soporte aislante Lazos capilares
Material celular muerto
Capa en germinación
Esponja protegida por Gel
Electrodos huecos o flotantes
Electrodos
(a) Electrodo con estructura de sombrero de copa.
(b) Electrodo desechable
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Electrodos huecos o flotantes
Electrodos
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a) Electrodo de carbono rellenado con goma de silicona.
b) Electrodo neonatal de película fina.
c) Vista en sección del electrodo de película fina en b).
Electrodos flexibles
Electrodos
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- Estos electrodos combinan adhesivo, electrolito y electrodo en una únicaestructura.
- Se ajustan a la estructura corporal- Uso en ECG y EMG
Electrodos Secos
Electrodos
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- No usan gel ni electrolitos- Están basados en semiconductores
http://www.orbitalresearch.com/Medical/dry-electrodes-intro.htm
Electrodos Secos
Electrodos
39http://www.orbitalresearch.com/Medical/dry-electrodes-solution.html
- Atraviesan la piel del paciente (son invasivos).
Electrodos Percutáneos
Electrodos
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- Al estar directamente en contacto con la zona a estudiar, se registran potenciales de mayor amplitud.
- Son menos susceptibles a los artefactos de movimiento por lo que los registros tienen menos ruido.
- Se usan en aplicaciones de EEG y EMG.
a) Electrodo de aguja aislada.b) Electrodo Coaxial de aguja.c) Electrodo Bipolar coaxial.d) Electrodo de alambre fino
conectado a una aguja hipodérmica antes de ser insertado.
e) Vista en corte seccional de la piel y el músculo que muestra la colocación del electrodo de alambre fino.
f) Vista en corte seccional de la piel y el músculo que muestra la colocación del electrodo aislado de alambre fino.
Electrodos de aguja y profundos
Electrodos
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(a) Electrodo de Succión.
(b) Vista en secciónde un electrodo de succión en suubicación, quemuestra la penetración del dispositivo a través de la epidermis.
(c) Electrodo en forma de hélice quees acoplado a la pieldel feto mediante unaacción de atornillado.
Electrodos para electrocardiografía fetal
Electrodos
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(a) Electrodo de lazo de alambre.
(b) Electrodo de esfera de plata para potenciales corticales.
(c) Electrodo multielementoprofundo.
(d) Electrodo para marcapasos
Electrodos
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Electrodos Implantables
Ejemplos de arreglos de electrodos: (a) Arreglo de electrodos unidimensional(b) Arreglo bidimensional, y (c) Arreglo tridimensional
(c)
Tines
Base
Exposed tip
ContactsInsulated leads
(b)
Base
Ag/AgCl electrodes
Ag/AgCl electrodes
BaseInsulated leads
(a)
Contacts
Electrodos
Arreglo de electrodos
-Se usan para sensar varios potencialessimultáneamente
- Se usan en ECG y EEG
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- Son electrodos usados para estudiar la actividad eléctrica de una celula.
Microelectrodos
Electrodos
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- Deben tener dimensiones más pequeñas que la celúla a estudiar (ej: una célula cardíaca tiene un diámetro de 20 µm, por lo que el electrodo intracelular tiene una diámetro de 2 µm).
- Se requiere equipos complejos para su inserción en la célula así también amplificadores especiales (con altísima impedancia de entrada).
- Se usan en aplicaciones de investigación.
Estructura de un microelectrodo de metal para toma de muestras intracelular.
Electrodos
Microelectrodo Metálico
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(a) Microelectrodo metálicoaislada con vidrio.
(b) Microelectrodo de láminametálica y alma de vidrio
Microelectrodo metálico
Electrodos
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Circuito equivalente de microelectrodometálico(a) Electrodo situado en una célula quemuestra el origen de microcapacitancia. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuitoequivalente.
Metal rod
Tissue fluidMembranepotential
N
C
B
B
EmpMembraneandactionpotential
Cma
Rma
Cd + Cw
Ema - Emb
E
0
A
(a)
N = NucleusC = Cytoplasm
(b)
(c)
B
A
A
Referenceelectrode
RmbRma
EmbEma
EmpRi Re
CmbCmaCdi
Cd2
Rs Cw
Insulation
CdCellmembrane
++ +
++
+++
++
++++++++++++ −−
− −
−− −−−
−−− −−−−−−
−−−
−
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Electrodos
El metal del electrodo no está en contacto con la célula sino a través de unasolución electrolítica
(a) Sección que muestracapilar de vidrio.
(b) Capilar estrechadomediante calentamiento y compresión.
(c) Estructura final del microelectrodo pipeta de vidrio.
Micropipeta de vidrio
Electrodos
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Circuito equivalente de un electrodo micropipeta de vidrio(a) Electrodo situado en una célula que muestra el origen de la microcapacitancia distribuida. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuito equivalente.
Ema
Rma
Rt
Ri Re(b) Emp
Emb
RmbCmb
Ej
Et
Cma
Cd
A B
Rt
Em
A
B
Membraneandactionpotential
(c)
Emp
Em = Ej + Et + Ema- Emb
Cd = Ct0
Cellmembrane
Tip+−+
−+
++
−−
+ −
−+ −
+− + + + + +− − − − −+
++
−−−
+−−++++
−−−
Taper
Internal electrode
Glass
A BTo amplifier
Electrolyteinmicropipet
Stem
(a)
Referenceelectrode
Cell membrane
CytoplasmN = Nucleus
N
Environmentalfluid
Cd
50
Electrodos
(a) Electrodo múltiple en forma de abanico. (b) Multielectrodo de silicona(c) Electrodo Multiple-cámara(d) Electrodo para nervio periférico
Bonding pads
Si substrateExposed tips
Lead viaChannels
Electrode
Silicon probe
Silicon chip
Miniatureinsulatingchamber
Contactmetal film
Hole
SiO2 insulatedAu probes
Silicon probe
Exposedelectrodes
Insulatedlead vias
(b)
(d)
(a)
(c)
5151
ElectrodosMicroelectrodos basados en tecnología microelectrónica
Indice
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PROBLEMÁTICA DE LA ADQUISICIÓNDE LAS SEÑALES BIOELÉCTRICAS
• El principal problema de la adquisición de las señales bioeléctricas proviene de los valores de amplitud y frecuencia de las mismas.
- Ruido blanco
- Interferencia de línea
- Ruido electrofisiológico
Origen externo
Origen interno
• Dichas amplitudes son pequeñas y a menudo se encuentran contaminadas de ruido que incluso puede ser superior al valor de la propia señal.
• Diferentes fuentes de ruido contaminan usualmente las señales:
Ruido