INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA

Metrología

Biopotenciales y Medición Electrofisiología

Equipo:

Báez Aguirre DanielMorales Hernández María Guadalupe

Noguez Silva IzcóatlPeñafort Flores Stefany

Profesor:

Darinel Venegas A.

México D.F, Diciembre de 2011

Electrofisiología y

Medición de Biopotenciales

Introducción El Origen de los Biopotenciales Biopotenciales: ECG, EEG, EMG, EOG Los Principios de la Medición de Biopotenciales Electrodos para Obtención de Biopotencial: Electrodos de Plata-Cloruro de

Plata, Electrodos de Oro, Electrodos de Polímero Conductivo, Electrodos de Metal o Carbón, Electrodos de Aguja.

El Amplificador de Biopotencial: El Amplificador de Instrumentación, El Amplificador de ECG, El Amplificador de EMG, El Amplificador de EOG.

Mejoras de Circuito: Reducción de la Interfaz Eléctrica, Filtrado, Reducción de Artefacto, Aislamiento Eléctrico, Protección de Desfibrilación.

Prácticas de Medición: Uso de los electrodos, Preparación de la Piel, Reducción de Interferencias en el Ambiente.

Conclusiones

Introducción

Este capítulo revisa los orígenes, principios y diseños de la instrumentación utilizada en la medición de Biopotenciales, particularmente para electrocardiograma (ECG), electroencefalograma (EEG), electromiograma (EMG) y electrooculograma (EOG). Estos biopotenciales representan la actividad de sus respectivos órganos: el corazón, el cerebro, los músculos y los ojos. Los biopotenciales son adquiridos gracias a la ayuda de electrodos especializados que crean una interfaz con el órgano o el cuerpo y transmiten señales libres de artefacto y con niveles bajos de ruido. El diseño básico de un amplificador de biopotencial consiste de un amplificador de instrumentación. El amplificador debe de poseer estrictas características, incluyendo alta amplificación, entrada de impedancia y la habilidad de rechazar interferencias eléctricas, todas estas son necesarias para la medición de estos biopotenciales. De manera auxiliar, circuitos de filtrado se usan para atenuar la interferencia eléctrica, al igual que aislamiento eléctrico y protección contra choques de desfibrilación. Consideraciones prácticas en la medición de biopotenciales, implica la colocación de los electrodos y la preparación de la piel así como protecciones contra interferencias.

Figura 74.1 Formas de onda de muestra: (a) ECG, forma sinusal normal; (b) EEG, paciente normal con los ojos abiertos; (c) EMG, flexión de los músculos bíceps; (d) EOG, movimiento de los ojos de

derecha a izquierda.

El Origen de los Biopotenciales

Muchos de los órganos del cuerpo humano, tal como el corazón, el cerebro, los músculos y los ojos, manifiestan sus funciones a través de actividad eléctrica. El corazón, por ejemplo, produce una señal llamada electrocardiograma o ECG (Figura 74.1a). El cerebro produce una señal llamada electroencefalograma o EEG (Figura 74.1b).La actividad de los músculos, tal como la contracción y la relajación, produce un electromiograma o EMG (Figura 74.1c). Del movimiento de los ojos resulta una señal llamada electrooculograma o EOG (Figura 74.1d), y la retina dentro de los ojos produce el electroretinograma o ERG. Mediciones de estas y otras señales eléctricas del cuerpo, pueden proporcionar pistas vitales para las funciones normales o patológicas de los órganos. Por ejemplo, latidos de corazón anormales o arritmias pueden ser diagnosticados mediante un ECG. Neurólogos interpretan las señales de ECG para identificar episodios de convulsiones epilépticas. Señales de EMG son útiles para evaluar la función de los músculos así como trastornos neuromusculares. Las señales de EOG son usadas en el diagnóstico de trastornos involucrados con el movimiento de los ojos y trastornos del equilibrio.

Los orígenes de estos biopotenciales pueden atribuirse a la actividad eléctrica a nivel celular. Los potenciales eléctricos a través de la membrana celular es el resultado de diferentes concentraciones iónicas existentes en el espacio intra y extra celular. El gradiente de concentración electroquímico a través de una membrana semipermeable puede determinarse a partir del potencial de Nernst. La membrana celular separa las altas concentraciones de iones potasio y las bajas concentraciones de iones sodio (junto con otros iones, como el calcio, en proporciones menos significativas) dentro y fuera de la célula.

Figura 74.2 Esquema que muestra los orígenes de los biopotenciales: (a) Potencial de acción de célula del corazón (registrado con un microelectrodo); (b) Electrocardiograma de la superficie del corazón (registrado con catéter endocárdico); y (c) Señal de ECG en el pecho (registrado usando

electrodos de superficie)

Esta diferencia de concentración iónica a través de la célula produce el potencial de reposo. Algunas de las células son excitables y producir lo que se conoce como potencial de acción, que resulta de un flujo rápido de electrones a través de la membrana celular en respuesta a una estimulación eléctrica o un cambio transitorio en el gradiente eléctrico de la célula. La excitación eléctrica de las células genera corrientes en el volumen circundante que se manifiesta como potenciales en el cuerpo.

Figura 74.2 Ilustra la continuidad de señales electrofisiológicas de las células del corazón (a), (b) del miocardio (músculo cardiaco), y (c) la superficie del cuerpo. Cada célula del corazón produce una característica de potencial de acción. La actividad de las células del nodo sinusal del corazón

produce una excitación que se propaga desde las aurículas a los ventrículos a través de canales bien definidos y, finalmente, a través del corazón, lo que la excitación eléctrica produce una contracción sincrónica del miocardio. El biopotencial asociado es el ECG. La excitación eléctrica de una neurona produce un potencial de acción que viaja por sus dendritas y axones; la actividad de un número masivo de neuronas y sus interacciones se encuentras dentro del manto cortical de la señal del EEG. La excitación de las neuronas transmite a través de un nervio a una unión neuromuscular que produce la estimulación de fibras musculares. Elementos constitutivos de las fibras musculares son las unidades de acción motora, y su actividad eléctrica se llama potencial motor de una sola unidad. La actividad eléctrica de un gran número de potenciales individuales de las unidades motoras de los grupos de fibras musculares se manifiesta en la superficie del cuerpo como el EMG. La contracción y relajación de los músculos es proporcional a la señal de EMG. La retina del ojo es un órgano de múltiples capas y más estructurado que contiene las células llamadas conos y bastones, células que perciben la luz y el color. El movimiento de los globos oculares dentro de los conductos conectivos del cráneo altera el potencial eléctrico. Colocar el electrodo en la proximidad de los ojos (a ambos lados de los ojos, en la sien, o por encima y por debajo de los ojos) recoge los potenciales asociados a los movimientos de los ojos llamados EOGs. Por lo tanto, está claro que los biopotenciales a nivel celular juegan un papel integral en la función de varios órganos vitales.

Tabla 74.1 Biopotenciales, Especificaciones, y Aplicaciones

Fuente Amplitud (mV)

Ancho de Banda (Hz)

Sensor (Electrodos)

MediciónFuente de Error

Aplicaciones Seleccionadas

ECG 1-5 0.05-100Ag-AgCl

desechables

Movimiento de artefacto, 50 a 60 Hz, líneas de alta

tensión de interferencia

Diagnóstico de isquemia, arritmias,

defectos de conducción.

EEG 0.001-0.01 0.5-40Chapado en

Oro o Ag-AgCl reusables

Térmico (Johnson), Ruido

RF, 50/60 Hz

Estudios del sueño, detección de

ataques, mapeo cortical.

EMG 1-10 20-2000

Ag o carbono, acero

inoxidable, aguja

50/60 Hz, RF

Función muscular, enfermedades

neuromusculares, prótesis.

EOG 0.01-0.1 dc-10 Ag-AgClPotencial de la

piel en movimiento

Posición de los ojos, estado de sueño, reflejo

vestíbulo-ocular.

Biopotenciales: ECG, EEG, EMG, EOG.

Los biopotenciales de los órganos son diversos. Tabla 74.1. Enumera algunos de estos biopotenciales, sus aplicaciones clínicas representativas, los índices clave de medición y sensores asociados. Se debe tener en cuenta que todas las adquisiciones se realizan con ayuda de electrodos especializados en los que el diseño es a medida dependiendo de las necesidades específicas. Las características más destacables de biopotenciales son:

Amplitudes pequeñas (10µVa 10 mV) Gama de frecuencias bajas de las señales (DC a varios cientos de hertz)

Los problemas más notables de este tipo de adquisiciones son:

Presencia de interferencia biológica (de la piel, los electrodos, movimiento, etc.) Ruido de fuentes ambientales (línea de alta tensión, radiofrecuencia, electromagnetismo,

etc.)

Estos desafíos y los problemas de adquisición de la señal para cada uno de los biopotenciales se consideran con mayor detalle a continuación.

ECG

Las señales de ECG son adquiridas por la colocación de electrodos directamente sobre el torso, los brazos y las piernas (Figura 74.3a). La actividad en la superficie del cuerpo refleja la actividad del músculo cardiaco por debajo y en su proximidad. Un sistema que consta de cables, clínicamente aceptado, ha sido elaborado y llamado el sistema de 12 derivaciones. Se compone de una combinación de electrodos de toma de medidas de las diferentes regiones, miembro, pecho y las derivaciones precordiales. Las derivaciones de las extremidades derivan las señales de los electrodos en las extremidades, y se designan como las derivaciones I, II y III. Las derivaciones precordiales son designadas como aVR, aVL y aVF y se obtienen con las señales que conducen las extremidades. Las otras seis derivaciones V1, V2, V3… V6, son obtenidas en el tórax. En conjunto, estas derivaciones diferentes de ECG ayudan a definir la naturaleza de la actividad en una parte específica del músculo cardiaco, por ejemplo, la isquemia (suministro de oxígeno al músculo deficiente), o infarto (daño en el músculo) en el lado izquierdo del pecho, esto puede ser detectado gracias a la tercera derivación. Las señales de ECG en la superficie del cuerpo son bajas en amplitud lo que hace que las mediciones sean susceptibles a artefactos, generado por el movimiento relativo del electrodo y la piel, así como por la actividad de los músculos cercanos. Una consideración importante en la adquisición de una buena señal de ECG es el uso de electrodos de alta calidad.Electrodos recubiertos de plata con cloruro de plata o de sinterizado de material Ag-AgCl, son los recomendados. Un gel electrolítico se utiliza para mejorar la conducción entre la piel y el metal del electrodo. Artefactos que surjan al contacto con los electrodos, la piel, así como interferencias electromagnéticas de todas las fuentes deben de ser minimizados. Dado que los instrumentos de ECG a menudo se utilizan en entornos de cuidados intensivos, deben de ser

aislados eléctricamente para seguridad y protegidos de los altos voltajes generados por desfibriladores.

Figura 74.3 Esquemas que muestran como las señales de biopotencial se registran en el cuerpo humano. (a) ECG; ECG de 12 derivaciones utilizando el brazo derecho (RA), el brazo izquierdo (LA), la pierna izquierda (LL), la referencia de la pierna derecha (RL) y seis electrodos en el pecho (C). (b)

EEG; Lugares seleccionados de los electrodos según la norma 10/20 sistema de derivaciones de EEG con las orejas como referencia. (c) EMG; electrodos de registro en bíceps y tríceps con una referencia independiente. (d) EOG; electrodos por encima, debajo y a los lados de los ojos junto

con una referencia independiente.

El uso de los amplificadores de biopotenciales de ECG encuentra su uso en instrumentos de supervisión, marcapasos, desfibriladores. La adquisición de ECG es también útil en muchas aplicaciones clínicas incluyendo el diagnóstico de arritmias, isquemia o insuficiencia cardiaca.

EEG

Las señales de EEG se caracterizan por su amplitud pequeña (orden de microvolts). Los electrodos chapados en oro se colocan de manera segura en el cuero cabelludo para hacer un contacto que genere una resistencia baja. Un sistema de derivaciones clínicamente aceptado, que incluye varios electrodos colocados de manera uniforme en la cabeza, se llama el sistema de derivaciones 10-20 (Figura 74.3b). Este sistema integral permite llevar la localización de las funciones de diagnóstico, tales como los picos de convulsiones, en las cercanías del electrodo. Las señales de EEG son difíciles de interpretar, ya que representan la actividad global de miles de millones de neuronas que transmiten en el tejido cerebral, fluidos y cuero cabelludo. Sin embargo, algunas características pueden ser interpretadas. En la misma onda, es posible ver los picos interictales de una convulsión (como las ausencias y la epilepsia).

Los Principios de la Medición Biopotencial

Los principios de la unificación de las grabaciones biopotenciales implican:

• Electrodo de diseño y de su fijación adecuados para la aplicación;• Amplificador de diseño de circuitos para la amplificación adecuada de la señal y el rechazo del ruido y las interferencias;• Buenas prácticas de medición para mitigar los artefactos, el ruido y las interferencias.

Electrodos para el grabado de biopotenciales

Los electrodos para grabaciones biopotenciales están diseñados para obtener la señal de interés de forma selectiva, mientras que reducen el potencial para recoger los artefactos. El diseño debe ser pragmático para reducir costos y permitir la fabricación y el uso fiable a largo plazo. Estas consideraciones prácticas determinan si los electrodos de alta calidad reutilizables, sean de plata, de oro o electrodos desechables más baratos, se utilizan.

Electrodos de cloruro de Plata-Plata

El diseño clásico del electrodo de alta calidad, consiste en un metal de alta conductividad, (la plata), conectado a su sal, (cloruro de plata), y se conecta a través de un gel electrolítico al cuerpo humano. El diseño de plata-cloruro de plata-de los electrodos base es conocida por producir los potenciales de unión más baja y más estable.

Potenciales de unión son el resultado de las interfaces electrolíticas diferentes, y son una fuente de electrodos basados en los artefactos de movimiento.

Por lo tanto, adicionalmente, un gel electrolítico normalmente basado en sodioo cloruro de potasio se aplica a los electrodos. Una concentración de gel en el orden de 0,1 M (concentración molar) se traduce en una buena conductividad y potencial de baja unión sin causar irritación de la piel.

Los electrodos reutilizables de plata (cloruro de plata) están hechos de discos de plata recubiertos electrolíticamente por el cloruro de plata, o, alternativamente, las partículas de plata y cloruro de plata son sinterizados para formar la estructura metálica del electrodo. El gel es generalmente se impregnan en una almohadilla de espuma o se aplica directamente en el bolsillo producida por la vivienda de los electrodos.

El electrodo se fija a la piel por medio de cinta adhesiva no alergénico. El electrodo se conecta a la instrumentación externa normalmente a través de un conector a presión. Estos electrodos son adecuados para estudios de toxicidad aguda o investigaciones básicas.

Los electrodos desechables se hacen de manera similar, aunque el uso de la plata puede ser minimizada (por ejemplo, el complemento en el botón en sí mismo puede ser de plata recubiertos y cloruradas). Para permitir una conexión segura, una almohadilla de espuma grande concede el cuerpo del electrodo con revestimiento adhesivo en un lado. Estos electrodos son especialmente adecuados para uso ambulatorio o largo plazo.

Electrodos de oro

Electrodos chapados en oro, los cuales tienen la ventaja de una alta conductividad y la inercia deseable en electrodos reutilizables, son comúnmente utilizados en las grabaciones EEG. Pequeños electrodos reutilizables están diseñados para que puedan estar firmemente adheridos al cuero cabelludo. El cuerpo del electrodo también en forma para hacer un espacio empotrado para gel electrolítico, que se pueden aplicar a través de un agujero en el cuerpo del electrodo. Los electrodos se conectan en el pelo de las zonas libres mediante el uso de un pegamento fuerte como colodión o bien sujetos con vendas elásticas o mallas de alambre. Electrodos similares también se pueden utilizar para el registro de EMG, sobre todo cuando una gran cantidad de movimiento se espera. Desventajas del uso de electrodos de oro sobre la plata (cloruro de plata) incluyen un mayor gasto, mayores potenciales de unión, y una mayor susceptibilidad a los artefactos de movimiento. Por otro lado, los electrodos de oro mantienen baja impedancia, son inertes, reutilizables, y siempre son buenos en grabaciones a corto plazo, un gel de alta conductividad se aplica para que estén bien seguros.

Figura 74.4 Ejemplos de electrodos utilizados en las grabaciones biopotencial: (a) desechables Ag-AgCl, (b) reutilizables Ag-AgCl disco de los electrodos, (c) electrodo de disco de oro, (d) de

electrodos desechables polímero conductor, y (e) electrodo de aguja.

Electrodos conductivos polímeros

A menudo es conveniente para la construcción de un electrodo de un material que es a la vez conductor. Ciertos materiales poliméricos con propiedades adhesivas y adjuntando los iones metálicos monovalentes se pueden hacer conductores.

El polímero se une a un soporte metálico de lámina de plata o de aluminio, que permite el contacto eléctrico de instrumentación externa. Este electrodo no necesita pegamento adicional o gel electrolítico y por lo tanto puede ser inmediato y utilizar convenientemente. El electrodo de polímero conductor se desempeña adecuadamente, siempre y cuando su relativamente alta resistividad) y una mayor probabilidad de generar artefactos sean aceptables. La mayor resistencia del polímero hace que estos electrodos sean adecuados para la medición de bajo ruido. El polímero no se fija eficazmente a la piel al igual que el adhesivo convencional de electrodos de ECG desechables construidos con una base de espuma, además, el potencial generado en la interface electrodo-piel son más fáciles de perturbaciones por el movimiento. Sin embargo, cuando el nivel de señal es alta y al restringir el movimiento del

sujeto minimiza el artefacto, el electrodo de polímero ofrece una solución relativamente barata para la grabación biopotencial.

Electrodos de metal o carbono

Aunque otros metales como el acero inoxidable o bronce se utilizan con poca frecuencia porque ahora electrodos de alta calidad de metal noble, de carbono de bajo costo o electrodos poliméricos son tan fácilmente disponibles, históricamente, estos electrodos metálicos se utilizan en el laboratorio o clínica, debido a su fuerte construcción y la reutilización. El gel para electrodos se aplica al electrodo de metal que se sujeta al cuerpo por medio de una banda de goma. Estos electrodos tienen el potencial para la producción de niveles muy altos de los artefactos y son voluminosos y difíciles de usar, pero ofrecen la ventaja de ser reutilizables y tienden a ser más baratos. Los de carbono (carbono impregnado) con electrodos de polímero también se utilizan de vez en cuando (a pesar de que se utilizan principalmente como electrodos de estimulación eléctrica). Estos electrodos tienen una resistencia mucho mayor y son más ruidosas y más susceptibles a los artefactos, pero son baratas, flexibles y reutilizables por lo que son elegidos para aplicaciones tales como la estimulación eléctrica o pletismografía. Para estas aplicaciones, el gel no suele ser aplicado y los electrodos se utilizan en forma "seca" para facilitar la sujeción y remoción.

Electrodos de aguja

Los electrodos de aguja comprenden una pequeña clase de electrodos invasivos, que se utiliza cuando es absolutamente necesario grabar desde el propio órgano. La aplicación más común es en la grabación de los músculos o fibras musculares. A metálico, generalmente alambre de acero, se entrega a través de una aguja insertada en el sitio de la fibra muscular. El cable está conectado y por lo tanto sujeta a las fibras musculares, así como se retira la aguja. Pequeñas señales, como los potenciales de unidad motora se pueden grabar en este modo. Para aplicaciones de investigación, los electrodos de aguja o alambre similares a veces se conecta directamente al músculo del corazón. Dado que estos electrodos son invasivos, su uso está limitado a las aplicaciones clínicas o de investigación altamente especializadas y sólo bajo supervisión.

Equipo amplificador

El amplificador de instrumentación es una configuración de circuito que potencialmente combina las mejores características deseables para las mediciones de biopotencial, es decir, la ganancia diferencial de alta, baja ganancia de modo común,

Tabla 74.2 Características distintivas y consideraciones para el diseño de biopotenciales

BiopotencialCaracterísticas

distintivas

consideración de diseño exclusiva para

el amplificador

Características adicionales deseadas

ECG*1mV señal. 0.05-100

Hz BWb

Ganancia moderada, BW, ruido, CMRR,

entrada R

Seguridad eléctrica, equilibrio, protección

desfibrilar.

EEGSeñal muy pequeña

(microvolts)Ganancia alta, ruido muy bajo, filtración

Seguridad, equilibrio, baja resistencia de la película del electrodo

EMGEOG

Más elevada BWFrecuencias bajas,

señal pequeña

Ganancia y BW de amplicador

operacional dc y baja corriente

Unión del potencial de la película del

electrodo, reducción de artefactos.

*La señal de adquisición del ECG es considerada como el estándar contra cada una de las otras adquisiciones con las que esta comparada.b BW= Ancho de nada

Figure 74.5 El amplificador de instrumentación. Este amplificador tiene una impedancia de entrada muy alta, CMRR alto, y una ganancia diferencial establecido por las resistencias en las dos etapas de amplificación. La ganancia de la primera etapa (amplificadores A1 y A2) es 1 + 2R2/R1, la

segunda etapa (amplificador A3) es R4/R3, y la tercera etapa (A4 amplificador) es 1 + R7/R6. La esquina inferior la frecuencia es 1/(2R5C1) y la frecuencia de corte superior es 1/(2R7C2). La

resistencia variable se ajusta para maximizar el CMRR. Electrodos E1 y E2 son los electrodos de registro, mientras que E3 es la referencia o el electrodo de masa.

alta relación de rechazo en modo común (CMRR), y la alta resistencia de entrada. La figura 74.5 muestra el diseño del amplificador de instrumentación básica. Los principios básicos de diseño de circuitos se han descrito en otra parte. El amplificador de instrumentación se construye a partir de amplificadores operacionales, o amplificadores operacionales, que tienen muchas de las características deseables antes mencionados. La parte delantera del amplificador dispone de dos amplificadores operacionales, que consta de dos amplificadores no inversores que se han unido entre sí por una resistencia R1 común. La ganancia de la primera etapa es (1 + 2R2/R1). La segunda etapa es un amplificador diferencial convencional con una ganancia de - (R4 / R3). Este diseño da como resultado la ganancia diferencial deseada distribuidos en dos etapas del amplificador. También se consigue una resistencia de entrada muy alta como resultado del final frente amplificador no inversor. Se presenta un CMRR muy alto como resultado de la etapa diferencial de primero, seguido por un amplificador diferencial de la segunda etapa. El CMRR se ve reforzada por el ajuste de una de las resistencias de juego y la selección de los amplificadores operacionales de alto CMRR. Este amplificador de instrumentación es un componente clave en el diseño universal a muchas interfaces de biosensor y casi todos los instrumentos biopotencial.

Amplificador de ECG

El amplificador de ECG puede ser fácilmente diseñado con el amplificador de instrumentación como la piedra angular principal. Filtros activos con una frecuencia de corte inferior de 0,05 Hz y una frecuencia de corte superior de 100 Hz también se suelen añadir. Amplificadores de ECG son necesarios en muchas aplicaciones, tales como el monitoreo de la función cardiaca unidades de cuidados intensivos, donde la seguridad y la protección son de suma importancia. Debido a la posibilidad de un acceso directo por resistencia o baja al corazón a través de catéteres o vías intravenosas existe en estos lugares, las corrientes eléctricas de fuga muy pequeña puede ser mortal. En consecuencia, la fuga desde el amplificador está obligada a estar por debajo del límite estándar de seguridad de 10 microA. Además, la seguridad del paciente se logra al proporcionar un aislamiento eléctrico de la línea de alimentación y la toma de tierra, lo que impide el paso de la corriente de fuga del instrumento para el paciente en condiciones normales o bajo condiciones de error razonable. Aislamiento eléctrico se consigue mediante el uso de un transformador o componentes ópticos de acoplamiento, aunque es importante recordar que cualquier diseño debería conservar el ancho de banda y la linealidad del amplificador. Amplificadores de ECG también es probable que ser operado en los casos en que los desfibriladores pueden ser utilizados, por lo que el circuito del amplificador debe ser protegido contra las tensiones de desfibrilación de alta y debe ser aumentado por los componentes del circuito, tales como resistores limitadores de corriente, limitadores de tensión en los diodos, y la chispa lagunas.

El amplificador de EEG

La característica distintiva de un amplificador de EEG es que tiene que amplificar señales muy pequeñas. La ganancia del amplificador debe ser convenientemente mejorado para hacer frente a los niveles de microvoltios o inferior de las señales. Además, todos los componentes del

amplificador debe tener un ruido térmico muy bajo y, en particular, bajo electrónico (tensión y corriente) de ruido en la parte frontal del amplificador. Amplificadores de EEG utiliza en las aplicaciones clínicas de nuevo debe ser eléctricamente aislado y protegido contra las tensiones de desfibrilación de alta, al igual que el amplificador de ECG.

Amplificador de EMG

Amplificadores de EMG se utilizan a menudo en la investigación del rendimiento muscular, enfermedades neuromusculares, y en la construcción de ciertos activos o prótesis inteligentes. En estas aplicaciones, basta con amplificador ligeramente mayor ancho de banda. Además, los circuitos de post-procesamiento son casi siempre necesarios. Por ejemplo, una señal de EMG rectificado e integrado ha demostrado que dan una indicación aproximada de la actividad muscular, aproximadamente en relación con la fuerza que se genera en la ubicación de los electrodos de EMG.

Amplificador de EOG

La señal EOG es en la amplitud y consiste en frecuencias muy bajas. Por lo tanto, un amplificador de EOG no sólo debe tener una alta ganancia, sino también una baja frecuencia muy bueno, o incluso de CC, la respuesta. Esta respuesta de frecuencia también hace que el amplificador potencialmente susceptible a los cambios en el potencial de unión en la interfase electrodo-piel y a la deriva en las características del circuito electrónico. Además de utilizar electrodos bueno (Ag-AgCl) y gel (alta conductividad), algún tipo de activo o por la deriva dc la cancelación o el diseño de circuitos de corrección puede ser necesaria.

Mejoras en circuito

El amplificador biopotencial básicas descritas anteriormente, junto con las consideraciones de diseño específicos para cada biopotencial, puede producir una adquisición de señal de calidad aceptable en la mayoría de los valores de laboratorio. En la práctica, Sin embargo, otras mejoras siempre son necesarias para lograr un rendimiento aceptable en la novela de clínica las aplicaciones. Estas mejoras incluyen circuitos para reducir la interferencia eléctrica, filtrado de ruido, la reducción de los artefactos, el aislamiento eléctrico del amplificador, y la protección eléctrica del circuito contra desfibrilación.

Figura 74.6 Mejoras en circuito para mediciones biopotencial. (a) El esquema de la izquierda muestra eléctricos interferencias inducidas por la corriente de desplazamiento id de la línea de alimentación. Este flujo de corriente en el cable del electrodo de tierra de generación en modo

común tensión Vc. El circuito impulsado por la pierna derecha a la derecha utiliza la retroalimentación negativa en el electrodo de la pierna derecha para reducir el efectivo voltaje en

modo común. (b) Amplificador de filtros frontales - T1: choque de RF, R0 y C 0: filtro RF, 1 y C1: filtro de paso alto, R2 y C-2: filtro de paso bajo. (c) Filtro de muesca de la interferencia eléctrica (50

o 60 Hz): filtro de doble T de primera clase en la que se rige por la frecuencia de muesca R1, R2, R3, C1, C2 y C3, y el ajuste de primera clase por R4. (d) de referencia del circuito de restauración: la C1 filtro de paso alto del condensador se descarga por F transistor de efecto de campo cuando se activa manual o automáticamente mediante un pulso de restauración de base. (e) Aislamiento

eléctrico: transformadores, junto con el transformador T (arriba) u óptica utilizando el diodo D y la P fotodetector (abajo). Tenga en cuenta que el aislador separa al circuito común en el lado del

amplificador de la toma de tierra en la salida. (f) La protección de circuitos eléctricos: R resistencia limita la corriente, polarización inversa diodos D limitar la tensión de entrada, y la chispa S protege

contra la desfibrilación desglose pulso relacionados con el transformador de aislamiento de T.

Interferencias eléctricas

Ambientales de interferencia eléctrica está siempre presente, especialmente en ambientes hospitalarios urbanos. Es deseable para eliminar la interferencia antes de que entre el amplificador, por ejemplo, la protección adecuada de sujeto, conduce, y el instrumento y por el tema de puesta a tierra y el instrumento. Las fuentes de interferencia incluyen señales inducidas

de las líneas eléctricas y el cableado eléctrico; RF de los transmisores, eléctrica motores y otros aparatos; magnéticamente corrientes inducidas en cables conductores, y así sucesivamente. La interferencia inducida en el cuerpo común a los electrodos de detección biopotencial se le llama interferencia de modo común (a diferencia de la biopotencial que es diferencial para los electrodos de detección). Si el inducido Identificación actual y la resistencia a tierra es R0, el potencial de interferencia de modo común es Vc = idR0. La interferencia de modo común es principalmente rechazada por un amplificador diferencial o la instrumentación con un alto CMRR. Otra mejora es posible mediante el uso del "circuito impulsado por la pierna derecha."El derecho de llevar la pierna, por convención estándar, se utiliza como el suelo o el circuito de referencia. La pierna derecha impulsado circuito emplea la buena idea de la retroalimentación negativa de la señal de modo común en este lugar. La señal de modo común se percibe a partir de la primera etapa del amplificador de instrumentación, se amplifica e

Figura 74.6 (continuación)

invertida, y se alimenta de nuevo en la cabeza la pierna derecha (Figura 74.6a). En esta etapa la señal de modo común es reduce a (idR0) / (1 + 2R2/R1). Por lo tanto, la interferencia de modo común es muy reducida en su origen.

El circuito impulsado por la pierna derecha, junto con un alto CMRR del amplificador y filtro permiten muy altas la calidad de las mediciones biopotencial.

Figura 74.6 (continuación)

Después de seguir las precauciones descritas anteriormente, la filtración en la parte frontal del amplificador y la limitación del ancho de banda del amplificador biopotencial más puede ayudar a reducir la interferencia (Figura 74.6b).

Los inductores o pequeñas cuentas de ferrita en los cables ayudan a bloquear electromagnéticas de muy alta frecuencia interferencias. Pequeños condensadores entre cada cable-electrodo y

tierra filtrar la interferencia de RF. El ancho de banda limitación puede ser impuesta en cada etapa del amplificador. Debido a tensiones continuas que surgen en el electrodo y la piel de interfaz debe ser bloqueada mucho antes de que se amplifica enormemente biopotencial (de lo contrario, el amplificador podría saturar), el uso de un filtro de paso alto en las primeras etapas de amplificación se recomienda.

Filtro de paso bajo en varias etapas de amplificación se recomienda para atenuar la interferencia de RF residual así como el músculo interferencia de la señal. De interferencia en la línea 50 o 60 Hz y sus armónicos claramente representan el mayor problema en la medición de biopotencial. A veces puede ser deseable proporcionar

(f)

Figura 74.6 (continuación)

un 50 o 60 Hz de primera clase de filtro para eliminar la interferencia de línea de alimentación (Figura 74.6c), una opción que a menudo se disponible con señales de bajo nivel (EEG, EOG) los instrumentos de medición. El riesgo de una distorsión biopotencial la señal se produce cuando un filtro de corte se utiliza y esto puede afectar el diagnóstico. Filtrado debe, por tanto, ser utilizadode manera selectiva.

Reducción de los artefactos

Una fuente principal de artefacto es el potencial que en la interfase electrodo-piel. Los cambios lentos en la línea de base pueden surgir debido a cambios en el potencial de unión en esta interfaz y, en algunos casos, puede causar una saturación temporal del amplificador. Este evento se detecta de forma manual o automática (mediante la rápida descarga del capacitor de paso alto en el amplificador para restaurar la línea de fondo y la figura 74.6d).

El movimiento del sujeto o de perturbación del electrodo puede producir artefactos de movimiento, lo que puede reducirse mediante el filtrado de la señal, pero como se sugiere filtrado anteriormente, tales, por lo general de pasó alto, puede causar graves distorsionar el biopotencial que se mide. Como alternativa, tratamiento informático puede ser necesario identificar un artefacto y borrarlo de la pantalla y el procesamiento. Es de destacar que una fuente biopotencial podría ser la deseada en un caso, sino un artefacto no deseado en otro caso. Por ejemplo, la señal resultante EOG de abrir y cerrar de ojos puede producir un artefacto bastante significativo en las grabaciones de EEG. Del mismo modo, las señales EMG convertido en los elementos no deseados en todos los demás no EMG mediciones biopotencial. La monitorización del ECG debe especialmente en cuenta para el artefacto de EMG para la grabación de alta fidelidad. Otro ejemplo es el pulso de marcapasos.

Desde un pulso de marcapasos pueden ser detectados y amplificados como un corto (alrededor de 2 ms) de pulso que precede a un QRS complejo, que puede interpretarse erróneamente como un latido del corazón por parte de algunos circuitos para la determinación automática la frecuencia cardíaca. Circuitos especiales deben ser diseñados para identificar y eliminar este artefacto.

Aislamiento eléctrico

Aislamiento eléctrico limita la posibilidad de que el paso de cualquier corriente de fuga del instrumento en uso para el paciente. Por el contrario, la seguridad del paciente debe ser garantizada por el aislamiento eléctrico para reducir la posibilidad de fuga de corriente de cualquier otro sensor o instrumento conectado al paciente a la toma de tierra del instrumento que se prueba [8]. Paso de la corriente de fuga a través del paciente pueden ser dañinos o incluso fatal si esta corriente se fuga a al corazón a través de un catéter o sonda intravenosa. El aislamiento eléctrico puede hacer con electricidad mediante la inserción de un transformador en el camino de la señal óptica o mediante la introducción de una óptica acoplador (Figura 74.6e). Desde el primario y el secundario del transformador permanecen eléctricamente aislados, ni un camino directo a la tierra puede existir. Un problema con este enfoque es que el transformador está inherentemente un ac aparato de alta frecuencia. Por lo tanto, una solución adecuada consiste en modular la biopotencial señal de que utiliza un portador de alta frecuencia preferida por el transformador. Una solución alternativa es utilizar ópticas aislamiento. La señal eléctrica desde el amplificador se convierte primero a la luz por un diodo emisor de luz (LED).

Esta señal óptica se modula en función de la señal eléctrica, y transmitida al detector. A fotodetector (fotodiodo o fototransistor), entonces toma la luz, la convierte en una señal eléctrica,

que luego se demodula para recuperar la señal original. La señal óptica es normalmente el código de pulso modulada para eludir la no linealidad inherente a la combinación de LED-fototransistor.

Protección de desfibrilación

Los Instrumentos Biopotenciales de medición pueden encontrar de muy alto voltaje, como los de los desfibriladores eléctricos, que pueden dañar el instrumento. Por ejemplo, las descargas eléctricas en el orden de 1500 a 5000 V puede ser producida por un desfibrilador externo. Otras fuentes de alto voltaje son la electrocauterización (se utiliza en cirugía) y tendidos eléctricos (cortocircuitos no advertidos en el instrumento). Por lo tanto, la parte delantera de la biopotencial instrumento debe ser diseñado para soportar estas tensiones elevadas (Figura 74.6f). El uso de resistencias en la entrada de los conductores puede limitar la corriente a la cabeza y el instrumento. Protección contra altos voltajes se logra mediante el uso de diodos o diodos Zener. Estos componentes de la conducta en la conducción del diodo 0,7 V (tensión) o de 10 a 15 V (dependiendo de la tensión de ruptura del diodo Zener), protegiendo así la sensibilidad los componentes del amplificador. Ya que es más probable que la protección contra altos voltajes serán necesarios, de baja presión tubos de descarga de gas, tales como las lámparas de neón se utilizan también. Se desglosan en los voltajes del orden de 100 V, proporcionando una vía alternativa a la tierra de los altos voltajes. Como última línea de protección, el componente de aislamiento (aislador óptico o transformador) debe ser protegido por una chispa que activa a varios miles de voltios. La chispa asegura que el impulso de desfibrilación no viola el aislamiento.

Prácticas de medición

Los instrumentos de medición de biopotencial pueden encontrar voltajes muy altos, tales como los de los desfibriladores electicos, que pueden dañar el instrumento. Por ejemplo, los choques eléctricos en el orden de 1500 a 5000 V pueden ser producidos por un desfibrilador externo. Otras fuentes de alto voltaje son el electrocauterio (usado en cirugía) y las líneas de alimentación. Por lo tanto, el final frontal del instrumento de biopotencial debe ser diseñado para resistir estos voltajes. El uso de resistores en la entrada del conductor puede limitar la corriente en el conductor y en el instrumento. La protección contra altos voltajes es alcanzada por el uso de diodos o diodos zener. Estos componentes conducen a 0.7 V (voltaje de conducción del diodo) o de 10 a 15 V (dependiendo del voltaje de conducción del diodo zener), así protegerá la sensibilidad de los componentes amplificadores. Desde que es más probable que la protección contra altos voltajes será necesitada, tubos de descarga de gas de baja presión como las lámparas de neón también son usadas. Estas se averían con voltajes del orden de 100 V, proveyendo un camino alternativo a tierra para los altos voltajes. Como una última línea de protección, los componentes de aislamiento (aislamiento óptico o transformador) deben ser protegidos por un vacío de chispa que se activa a muchos miles de volts. El vacío de chispa asegura que el pulso de desfibrilación no rompa el aislamiento.

Las mediciones de biopotencial son hechas factibles, primero que nada, por el buen diseño de amplificadores. Mediciones de biopotencial de alta calidad requieren el uso de buenos electrodos

y la adecuada aplicación al paciente, así como buenas prácticas de laboratorio o clínicas. Estas prácticas se resumen abajo.

Uso de electrodos

Varios electrodos adecuados para cada medición de biopotencial fueron descritos anteriormente. Primero, distintos electrodos por virtud de su diseño ofrecen características distintivas: más seguro, mas conductivo, menos propensos a artefactos. El gel del electrodo puede ser de considerable importancia en mantenimiento de una alta calidad de la interface ente el electrodo de metal y la piel. Los geles de alta conductividad, en general, ayudan a reducir la unión de potenciales a lo largo de la resistencia. El movimiento del electrodo con respecto al gel del electrodo y la piel es una fuente de potencial o artefacto. Tales movimientos pueden cambiar los potenciales de unión del electrodo con la piel, produciendo artefactos de movimiento. La colocación sobre estructuras óseas donde hay menos masa muscular puede reducir artefactos de movimiento indeseados e interferencia con el EMG. En instancias seguras, el electrodo puede ser esencialmente pegado a la piel, como en el caso de mediciones de EEG.

Figura 74.7 Ejemplos de interferencia eléctrica en las grabaciones biopotencial: (a) de la señal ECG con cambios de base y los artefactos de movimiento, (b) la interferencia de señales musculares, (c)

la interferencia electromagnética (60 Hz y la línea de alimentación RF).

Preparación de la piel

El potencial existente en la superficie de la piel atribuible a los potenciales en las membranas de las células en las capas epidermales de la piel, pueden resultar en largos potenciales de CD (los cuales pueden ser un problema significativo en mediciones de EOG). Cualquier perturbación en el movimiento de la piel, tocándolo, o deformándolo puede causar este potencial al cambio y resultar en artefactos de movimiento. Las glándulas sudoríparas en la epidermis pueden también contribuir a la variabilidad de la resistencia de la piel y el potencial de la piel. Abrasiones leves por una lija o su equivalente puede significativamente reducir la resistencia de la piel y el potencial de la piel y así reducir el artefacto. Una menos traumática, pero de alguna forma menos efectivo enfoque, es el usar un algodón con alcohol o alguna otra solución para humedecer y limpiar la superficie de la piel para remover escombros, aceites y células epidérmicas muertas o dañadas. A veces, como con las mediciones de EEG donde varias señales bajas son grabadas y bastante ruido bajo es permitido, la resistencia de la piel debe ser significativamente reducida, tal vez por debajo de 2KΩ. Obviamente, el movimiento reducido o la actividad muscular mientras se toma la medición también ayuda.

Reducción de la interferencia del medio ambiente

La interferencia electromagnética irradiada de las líneas de poder, la interferencia RF de las maquinas, campos magnéticos inducidos por los conductores y corrientes eléctricas inducidas en el cuerpo son todas fuentes de potencial de interferencia ambiental. El blindaje del amplificador a lo largo con el electrodo y el conductor y en ciertas extremas condiciones, blindaje del sujeto (por ejemplo, cuando se toman mediciones de campo magnético del cuerpo) pueden ayudar a reducir las señales tomadas o inducidas dentro del amplificador. El electrodo conductor puede ser blindado o por lo menos muy retorcido junto para reducir interferencia electromagnética inducida.

El circuito del amplificador debe también tener filtrado extensivo de interferencia electromagnética inducida. Para eliminar la interferencia RF, los filtros de capacitores deben ser usados en el fin frontal del amplificador así como en varias etapas del amplificador. Muchas altas frecuencias pueden ser bloqueadas por el uso de un obturador o a un inductor a la entrada del conductor. El efecto de interferencia electrostática puede ser minimizado o eliminado conectando el instrumento a tierra.

La interferencia eléctrica en el ambiente induce corriente dentro del cuerpo, el cual es luego tomado por el amplificador de biopotencial en modo de voltaje común. La propiedad CMRR del amplificador es esencial para la reducción del modo de voltaje común. Finalmente, el diseño de la pierna derecha, descrito anteriormente, puede ser opcionalmente usado para reducir además del modo de voltaje común y la interferencia efectiva.

Conclusiones

La adquisición de un biopotecial es una ciencia bien entregada, y soluciones aceptables de diseño ingenieril. Es aparente que cada fuente de biopotencial presenta su propio reto distintivo en términos de la interface del electrodo, diseño del amplificador, pre o post-procesamiento, e implementación práctica y uso. Las señales de ECG pueden ser mejor adquiridas usando electrodos de Ag-AgCl, aunque la buena práctica experimental/clínica es necesaria para reducir interferencia ambiental y biológica. Además la protección del circuito y aislamiento es necesaria en uso clínico. Las señales de EEG son distinguibles por su baja amplitud, y por lo tanto los electrodos de EEG deben ser asegurados por vía de una pequeña resistencia electrodo-piel y el amplificador debe exhibir ruido excepcionalmente bajo. Para la adquisición de EMG, los electrodos son necesarios que pueden ser adjunto por largos periodos de tiempo al grupo de músculos de estudio. La señal del EMG inevitablemente necesita post-procesamiento, como integración, para derivar la medición del musculo en actividad. Las señales de EOG tienen amplitudes pequeñas y son caracterizadas por frecuencias bajas y de CD. Los potenciales electrodo-piel y la derivación CD del amplificador son, por lo tanto, consideraciones importantes.

Estos principios de mediciones de biopotencial son aplicables a una variedad de convencionales así como emergentes aplicaciones. Por ejemplo, aunque la adquisición ECG es usada principalmente en monitores cardiacos, es también de interés e importancia en marcapasos implantables y desfibriladores. La adquisición de EEG es útil en la detección de punta de ataque y estudio de patrones de sueño y podría también ser usado para identificar disfunciones corticales después de un trauma o un ataque fulminante. La adquisición de EMG es usada en diagnostico enfermedades neuromusculares. Interesantes intentos han sido hechos para usar EMG para controlar prótesis. EOG ha sido de gran ayuda en diagnóstico de desórdenes vestíbulo-ocular y también ha sido estudiado como una forma de dispositivos operativos de comunicación usados para cuadripléjicos. Los principios de medición e instrumentación descritos en este capítulo podrían ser aplicados, con algunas modificaciones, para estas aplicaciones emergentes.