1

INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

INSTRUMENTACIONBIOMEDICA

Sistemas de

Adquisición

Ing. Walter Gómez

2

INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

CAMPOS DE APLICACIONES DE LA INSTRUMENTACIÓN BIOMEDICA

•Bioinstrumentació n

•Biomateriales

•Biomecánica

•Bioseñ ales

•Biosistemas

•Biotransporte

•Ingeniería Celular

•Ingeniería Clínica

•Nanoingeniería

•Ingeniería en Reabilitació n

3

INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

AREAS DE TRABAJO

•Agricultura

•Botánica

•Genetica

•Medicina

•Microbiología

•Farmacología

•Veterinaria

•Zoología

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INSTRUMENTACION

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ENTRONOS LABORALES.

•Industria

•Gobierno

•Instituciones Médicas

•R & D Académico

5

INSTRUMENTACION

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P r o b l e ms t a t e m e n t

R e v i e wp r i o r w o r k

S t a t eh y p o t h e s i s

P e r f o r me x p e r i m e n t s

D e s i g n f u r t h e re x p e r i m e n t s

A n a l y z ed a t a

F i n a lc o n c l u s i o n s

M o r ee x p e r i m e n t s

n e c e s s a r y

P r o b l e ms o l v e d

METODO CIENTIFICO: una hipótesis debe ser validada por medio de experimentos y/o test.

Metodología de Trabajo

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INSTRUMENTACION

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S e n s o r

D a t ac o m m u n i c a t i o n

D a t ad i s p l a y s

E f f e c t o r

M e a s u r a n d

S i g n a lc o n d i t i o n i n g

S i g n a lp r o c e s s i n g

D a t as t o r a g e

F e e d b a c k

O u t p u t s

SISTEMA DE MEDICION COMPLETO TIPICO

Se utilizan sensores para medir las variables, se procesan las señales y se muestran, se puede obtener realimentación para los actuadores

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INSTRUMENTACION

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I n s t r u m e n tP a t i e n t

I n s t r u m e n tP a t i e n t

C l i n i c i a n

Cerrar el Lazo…? Por ahora no….

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

Measurement Range Frequency, Hz Method

Blood flow 1 to 300 mL/s 0 to 20 Electromagnetic or ultrasonic

Blood pressure 0 to 400 mmHg 0 to 50 Cuff or strain gage

Cardiac output 4 to 25 L/min 0 to 20 Fick, dye dilution

Electrocardiography 0.5 to 4 mV 0.05 to 150 Skin electrodes

Electroencephalography 5 to 300 µ V 0.5 to 150 Scalp electrodes

Electromyography 0.1 to 5 mV 0 to 10000 Needle electrodes

Electroretinography 0 to 900 µ V 0 to 50 Contact lens electrodes

pH 3 to 13 pH units 0 to 1 pH electrode

pCO2 40 to 100 mmHg 0 to 2 pCO2 electrode

pO2 30 to 100 mmHg 0 to 2 pO2 electrode

Pneumotachography 0 to 600 L/min 0 to 40 Pneumotachometer

Respiratory rate 2 to 50 breaths/min 0.1 to 10 Impedance

Temperature 32 to 40 ° C 0 to 0.1 Thermistor

VALORES CARACTERISTICOS DE LAS SEÑALES CORPORALES HUMANAS

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INSTRUMENTACION

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Specification Value

Pressure range –30 to +300 mmHg

Overpressure without damage –400 to +4000 mmHg

Maximum unbalance ±75 mmHg

Linearity and hysteresis ± 2% of reading or ± 1 mmHg

Risk current at 120 V 10 µA

Defibrillator withstand 360 J into 50 Ω

EN BASE A LA SEÑAL A MEDIR ……… SE ELIGEN LOS ELEMENTOS SENSORES MAS ADECUADOS.

Ej: Medición de Presión sanguínea. Características de un sensor para dicho rango.

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INSTRUMENTACION

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Specification Value

Input signal dynamic range ±5 mV

Dc offset voltage ±300 mV

Slew rate 320 mV/s

Frequency response 0.05 to 150 Hz

Input impedance at 10 Hz 2.5 MΩDc lead current 0.1 µΑReturn time after lead switch 1 s

Overload voltage without damage 5000 V

Risk current at 120 V 10 µΑ

EN BASE A LA SEÑAL A MEDIR ……… SE ELIGEN LOS ELEMENTOS SENSORES MAS ADECUADOS.

Ej: Medición de ECG. Características de un amplificador para ECG.

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

S e n s o rs i g n a l

M e a s u r a n d

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

HISTERESIS

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

S e n s o rs i g n a l

M e a s u r a n d

S e n s o rs i g n a l

M e a s u r a n d

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) Baja sensibilidad – sensor con poca ganancia.(b) Alta sensibilidad – sensor con alta gananacia.

(a) (b)

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

T i m eA

mpl

itude

T i m e

Am

plitu

de

(a) (b)

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) Señales analógicas, pueden tener cualquier amplitud.

(b) Señales digitales, está limitado el número de valores de amplitud.

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) La señal de entrada sobrepasa el rango dinámico de la instrumentación.(b) La señal amplificada resulta saturada y se distorsiona.

(a)

(b)

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

(a)

T i m e

A m p l i t u d e

D c o f f s e t(b)

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) Señal de entrada sin DC OFFSET – continua superpuesta . (b) Señal de entrada con DC OFFSET – corrimiento por contínua adicionada.

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

0 . 0 5 H z 1 5 0 H z

F r e q u e n c y

A m p l i t u d e

1 . 0

0 . 1

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

Respuesta en Frecuencia.

Ej: ECG

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

O u t p u t

I n p u t

O u t p u t

I n p u t

(a) (b)

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) Sistema Lineal responde a la ecuación y = mx + b. (b) Sistema no lineal

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

T i m eAmplitude

T i m e

Amplitude

(a) (b)

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) Una señal contínua tiene valores a cada instante de tiempo. (b) Una señal discreta ha sido muestreada a lo largo del tiempo y no tiene valores entre los datos muestreados.

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

(a) (b)

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

(a) Señal sin ruido. (b) La interferencia superpuesta produce errores. Sistemas de filtrado reducen el ruido y la interferencia.

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

(a) (b)

Los datos puden ser: (a) Con baja precisión (b) Con alta precisión.

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

Los datos pueden ser:(a) Con baja representación (b) Con alta representación.

(a) (b)

CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

R p

G a l v a n o m e t e r

R s

G a l v a n o m e t e r

( a ) ( b )

Formas de medición

Instrumentación Básica

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INSTRUMENTACION

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R 1 R 1

R 3 R x

a b

+

−

I 1 I 2

Circuito puente de Wheatstone

2211 RIRI =

x21 3 RIRI =

Formas de medición - Instrumentación Básica

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

R 2

v o

v 1

R 1

R 1

R 2

v 2

v 3

v 3A

−

+

Amplificador Inversor Amplificador diferencial

221

23 v

RR

Rv

+=

2

o3

1

31

R

vv

R

vvi

−=

−=

R f

v ov i

R i

ii

A−

+

( a )

Formas de medición - Instrumentación Básica

25

INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

Amplificador Diferencial de Instrumentación

R 2

v o

R 1

R 1

R 2

A−

+−

+

R s

R s

v d / 2

v d / 2

−

+

−

+

−

+

v c

Formas de medición - Instrumentación Básica

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

Gai

n

F r e q u e n c y ( H z )1 0 0 1 0 41 0 2 1 0 6

1

1 0 C i r c u i t g a i n o f 1 0

ANCHO DE BANDA

Diferentes rangos, segun op amp gain ideal, con ganancia a lazo abierto y la del circuito

C i r c u i t b a n d w i d t hI d e a lg a i n

T y p i c a l o p e nl o o p g a i n

27

INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

T ( f )

ff c

1 . 0

0 . 1

0 . 0 11 1 0 01 0

T ( f )

ff c

1 . 0

0 . 1

0 . 0 11 1 0 01 0

(a) (b)

FILTROS

a.- Pasa bajob.- Pasa alto

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INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

(a) (b)

FILTROS

a.- Pasabandab.- Eliminabanda

T ( f )

ff 2f 1

1 . 0

0 . 1

0 . 0 11 1 0 01 0

T ( f )

ff 1 f 2

1 . 0

0 . 1

0 . 0 11 1 0 01 0

29

INSTRUMENTACION

U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -

B u s ( a d d r e s s , d a t a , c o n t r o l s i g n a l )

R O M I / OC P UR A M

SISTEMA DE ADQUISICION

Diagrama de un sistema microcontrolador