Electrodos para biopotenciales:teoría electroquímica y modelos eléctricos

núcleo de ingeniería biomédicafacultades de ingeniería y medicina

universidad de la república

Electrodos para biopotenciales:teoría electroquímica y modelos eléctricos

• Objetivos de la clase:– Entender el principio electro-químico de

funcionamiento de los electrodos de biopotenciales

– Dar un modelo equivalente eléctrico– Estudio cualitativo de fuentes de ruido y

distorsión– Entender cómo utilizar el modelo para

tomar criterios de diseño de amplificadores de señales biológicas

Introducción

• Las corrientes generadas por biopotenciales son de origen iónico.

• Los equipos de medida funcionan mediante corrientes electrónicas.

Es necesario un elemento de transducción entre corrientes iónicas y electrónicas

ELECTRODOS

Interfase Electrodo-Electrolito

Electrolito – Contiene iones libres, se comporta como conductor eléctrico. Consisten de iones en solución: soluciones iónicas.

Electrodo – Conductor en contacto con parte no metálica de un circuito. Ej: semiconductor, electrolito, vacío, gas, etc.

Se habla de par Electrodo-Electrolito cuando:

• El electrolito contiene iones del material del cual está construido el electrodo.

Interfase Electrodo-Electrolito

Potencial Semi-Celdao “Half-cell potential”

• Cuando el electrodo entra en contacto con el electrolito, comienza la reacción:

• La concentración local de cationes en la interfase cambia, perdiéndose la neutralidad de carga.

• El electrolito en la región está a un potencial eléctrico diferente al resto:

“Half-cell potential”

Potencial Semi-Celdao “Half-cell potential”

• Potencial determinado por la naturaleza del metal involucrado, la concentración de sus iones en solución y la temperatura.

• Los potenciales semi-celda de electrodos se miden respecto al del electrodo de hidrógeno definido igual a cero.

Polarización

Al circular corriente entre el electrodo y el electrolito, el potencial semi-celda varía:

Sobrevoltaje ohmnico (Vr): Es el resultado directo de la resistencia del electrolito.

Sobrepotencial de concentración (Vc): Resulta de los cambios en la distribución de iones en el electrolito en la vecindad de la interfase electrodo-electrolito.

Sobrevoltaje de activación (Va): Dada por la barrera que hay que vencer para que ocurra la oxidación o reducción. Gobierna la cinética de la reacción.

Electrodospolarizables y no polarizables

• Perfectamente polarizables: ninguna carga cruza la interfase. Se comportan como un capacitor.

• Perfectamente no polarizables: la corriente pasa libremente a través de la interfase, sin requerimientos de energía para llevar a cabo la transición. No presentan sobrevoltajes.

Electrodo Metal/Sal-insoluble

Consiste en un metal en contacto con una sal insoluble del mismo, que a su vez está en contacto con una solución, que contiene el anión de la sal.

Ejemplo: Ag/AgCl(S)

/Cl-

Electrodo Ag/AgCl

• Electrodo práctico con características de electrodo no polarizable.

• Metal (Ag) cubierto con una capa delgada de un compuesto iónico (AgCl).

• Toda la estructura es inmersa en un electrolito que contiene el anión (Cl-) en concentraciones altas (3,5 M).

Electrodo Ag/AgCl

Comportamiento y modelos circuitales

Resultados empíricos:– No lineales– Dependientes de frecuencia– Dependientes de densidad de carga– Componente reactiva– Componente resistiva ( > bajas frecuencias)

Schwan(1963), Geddes(1972), Cobbold(1974), Ferris(1974)

Comportamiento y modelos circuitales

• Existe una fuente de tensión semi-celda.• Salvo en bajas frecuencias, el modelo se

aproxima a serie de C+R.– La C debido a la distribución de cargas en la

interfase.– La R debido a la resistencia del electrolito

luego de la distribución de cargas.

• A bajas frecuencias, se observa una impedancia FINITA (en DC). Se agrega una resistencia en paralelo al C.

Modelo equivalente eléctrico simple

Ecell es el potencial de semi-celda

Rd y Cd impedancia asociada con la interfase electrodo-electrolito

Rs resistencia debido al electrolito y al alambre conector del electrodo.

Respuesta en frecuencia

• En electrodos Ag/AgCl descartables, la impedancia típica está en el orden de 1 k Wa 10 Hz

• Al diseñar un amplificador se suele tomar en cuenta valores de hasta 500 k W a 10 Hz

Interfase Electrodo-Piel

• Existe una interfase con la piel.• Piel = 3 capas:

– Epidermis– Dermis– Capa subcutánea

• Epidermis – Mayor Impedancia– Estrato córneo (células muertas)– Estrato granuloso– Estrato basal (donde nacen nuevas células)

• Se elimina el Estrato córneo con limpieza adecuada

Interfase Electrodo-Piel

La impedancia de la piel varía entre: 200 k W a 1 Hz y 200 W a 1 MHz

Tabla de impedancias de todo el conexionado

Fuente: Treo, E et al - “Efecto del gel y limpieza en la impedancia electrodo-piel en registros de superficie”, Congreso Argentino de Bio-Ingeniería, Octubre 2009

Ruido por movimiento

• Se mueve el electrodo => Cambia distribución de cargas en interfase E-E

• Cambia distrib. Cargas E-E => Ruido alto (algunos mV)

• Ruido alto => Se pierde la señal de interés

• Se pierde la señal => Chau paciente• Electrodos no polarizados + Gel

suficiente => reduce significativamente el Ruido por Movimiento

Ruido por movimiento

• Aumento de superficie de contacto Electrodo-Electrolito(gel)-Piel=> Disminución de Ruido por Movim.

• Electrodos de placa grandes• Electrodos de succión• Electrodos flexibles• Electrodos percutáneos

Tipos de electrodos

Tipos de electrodos

Tipos de electrodos

Ejercicios

• Dar un modelo equivalente eléctrico del sistema PACIENTE-ELECTRODOS-Amp.ECG

como el usado en la práctica 1.

• ¿Habrá un efecto importante en la señal de ECG?

• ¿Qué pasa si se desea utilizar para señales de EMG (50 Hz ~ 3 kHz)?

• Suponiendo una impedancia de entrada resistiva en el amplificador de instrumentación. ¿Cómo podría lograrse una transferencia independiente de la frecuencia?

Ejercicios

• ¿Cómo variaría la impedancia de un electrodo metálico a medida que se va secando el gel electrolítico de contacto?

• ¿Cómo se representa en el modelo equivalente eléctrico?

• ¿Cómo afecta al CMRR del sistema?• ¿Qué característica de los amplificadores

de entrada minimizaría la disminución del CMRR?

Conceptos importantes

• Necesidad de transducción de corrientes iónicas a electrónicas

• Principio electro-químico de interfase Electrodo-Electrolito• Potencial de semi-celda. Definición de Potencial 0 en

electrodo de Hidrógeno• Electrodos polarizables y no polarizables• Electrodo Metal/Sal-insoluble (ej. Ag/AgCl)• Características no lineales de la impedancia• Modelo equivalente eléctrico simple (valores típicos)• Interfase Electrodo-Electrolito-Piel• Ruido y distorsión por movimiento• Tipos de electrodos• Aplicación al diseño de amplificadores de señales biológicas

Referencias

• Webster, J - "Medical Instrumentation. Application and design", 3ra ed, JW&S, 1998, Capítulo 5

• Treo, E et al - “Efecto del gel y limpieza en la impedancia electrodo-piel en registros de superficie”, Congreso Argentino de Bio-Ingeniería, Octubre 2009