tema 3 magnitudes biofisicas
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Bioinstrumentación Magnitudes biofísicas
José Javier Serrano Olmedo, GBT (ETSIT-UPM) 1
TEMA 3: Magnitudes biofísicas
ÍNDICE
• Magnitudes biofísicas
• Temperatura y calorimetría
• Movimientos corporales
• Sistema respiratorio
• Sistema circulatorio
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¿De qué hablamos?
• Magnitudes biofísicas son la magnitudes físicas de interés en medicina:• Desplazamiento y volumen: muscular, crecimiento óseo• Presión en fluidos: sistema vascular, pulmonar• Caudal de fluidos: sangre, respiración• Presión interna: intestinal, intracraneal• Temperatura corporal• ¿Más?
“Magnitudes dimensionales, cinemáticas y dinámicas en tejidos y fluidos, además de la temperatura.”
• Transductores utilizados: convencionales + biocompatibilidad
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Temperatura
• Temperaturas necesarias según dos criterios:• superficial o interna: con catéter, esofágica• local o integral (¿?).
• Características:• Margen dinámico de señal pequeño: 35º a 42º• Resolución alta innecesaria: 0,1º o 0,05º
• Termómetros:• De mercurio: en desaparición• Con termistores• Pirómetro de infrarrojos• De cristal líquido.
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Calorimetría
• Calor producido por el cuerpo, medido por dos técnicas
• Medida directa
• Medida por intercambio de gases
• Necesaria para: investigación, desordenes metabólicos y medicina deportiva.
Constantan
Copper
Insulation layer
Thermocoupleconnection
Metal wallCooling tubes
T1
T2
Water in
Water out
Inlet thermometer
Outlet thermometerPolyvinyl chloride tubes
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Calorimetría
Air in
Air out
T 1
T 2
Insulated chamber(polyurethane)
Thermometer
Thermometer
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Movimientos corporales
• Medida de la movilidad de articulaciones
• Multitud de técnicas, algunas:
• Con goniómetros: de potenciómetro o extensímetro
• Con acelerómetros: piezoeléctrico o con extensímetros
• Con placas de fuerza
• Con procesamiento de imágenes.
• Con fotodetectores y
emisores pulsantes
• Detector de microondas.Vout = k θ
Vi
a
Plastic ribbons
Connecting rodsParallelogram
linkage
Triaxialgoniometer
b
Knee joint
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Ejemplo: de medida de movimientos corporales
A/Dconverter
EMGreceiver
Cameracontrol
andInterface
Displaysystem
Walk way
Analog interface
Camera 1
Camera 2 Camera 3
Camera 4
EMGtransmitter
(option)
Forceplatforms(option)
Markers
Computer
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Movimientos durante el sueño
Siesta datalogger
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Sistema respiratorio• Medidas: pletismografía pulmonar (volumen<7L), flujo y
ritmo respiratorio, concentración de gases (N2, O2, CO2, anestésicos)
• Sensores mecánicos: • Bandas respiratorias: extensímetros de mercurio, de
condensadores, de galgas, con LVDT, etc.• Espirómetros: de respiración simple o múltiple• Pneumotacómetro para el flujo o espirómetro abierto• Pletismografía corporal total y respiratoria inductiva
• Sensores de gases: Espectrometría de masas, detectores de conductividad térmica, espectrometría de transmisión de infrarrojos, fotoacustimetría, espectroscopia de emisión, y espectrometría magnetoacústica.
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Espirómetro cerrado
VL
TL
PA
Other signalprocessing
Strip-chartrecorder
Thermometer forspirometer gastemperature
One-wayvalves
Water seal
Bell
Uabs
Soda-limecanister
Pulmonarysystem
Spirometersystem
Mouthpiece
QAWO
Bloodflow
Kymograph
Counterweight
Rotationaldisplacementsensor
PS
VS
TS
FS x
FA x
Ubs
( )derivaVVdt
d
UVUV
S
L
SL
absSSbLL
−−≅⇒=
−−=+
ρρ
ρρ
0
····
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Volúmenes pulmonares
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Espirómetros abiertos o Pneumotacómetro
QFine meshscreen
Closely packedchannelsQ
∆P
(a) (b)
∆ P
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Pletismografia: de cuerpo entero
V B
P L
V L
P B
Shutter
P L Flow Q
P B Lung
Pneumotachometer
Body plethysmograph
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Sistema circulatorio
• Presión:
• con catéter y manómetro de diafragma externo,
• intravascular, e
• indirecto (esfigmomanómetro)
• Sonido: Estetoscopio/fonometría
• Flujo:
• Efecto doppler de ultrasonidos
• Flujómetro electromagnético
• Métodos de dilución de indicador: térmico y por tintado.
• Salida cardiaca
• Volumen: Pletismografía de miembros inferiores
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Sistema circulatorio
Lower body
Upper body
Leftatrium
Rightatrium
Leftventricle
Rightventricle
Oxygenatedblood
Deoxygenatedblood
Lung
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Sistema circulatorio
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Sistema circulatorio
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Medida de flujo por dilución con catéteres
Métodos de dilución de indicador: se inyectan las muestras por vena y se muestrean por arteria:
• térmico con muestra salina fría
• por tintado
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Medida con flujómetro electromagnético:DC y AC
Ley de Faraday:e=B�L�u ->F = u�Area
L
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Eliminación del voltaje de transformador
• Medida en AC mejor que en DC y con eliminación del voltaje de transformador
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Ejemplo práctico de flujómetro electromagnético
Efectos a tener en cuenta:
• No idealidad de B
• Flujo sanguíneo no uniforme
• Conductividad relativa de lapared arterial/venosa y delfluido externo
• Variación de la composiciónde la sangre (hematocrito)
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Ultrasonidos: ecografía, flujo sanguíneo
b
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Flujómetros por Ultrasonidos• Propagación de ultrasonidos en fluido en movimiento• Generados con resonadores piezoeléctricos: 2- 10 MHz• Régimen de campo cercano (más enfocado) y lejano.• Las ondas tienen múltiples picos y valles en sección
Blood Arterialwall
Ultrasonictransducer
Ultrasonicbeam
Rotatingcatheter
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Métodos de medida de flujo por ultrasonidos• De tiempo de tránsito: pulsados • Medida continua por efecto Doppler: simple y en cuadratura
para detección de sentido del flujo• Doppler pulsado: un mismo transductor para emitir y recibir,
que proporciona mucha más información• Doppler “laser”: los glóbulos rojos en movimiento desplazan
y ensanchan el espectro recibido.
Blood vessel
Dopplerangle
Scan head
Skin surfaceImage plane
RFamplifier
DetectorAF
amplifierF/V
converter
Computer
Oscillator
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Sonidos del corazón
Llenado ventricular por la contracción auricular
4º
Llenado rápido ventricular al principio de la diástole
3º
Cerramiento de las válvulasde la aorta y pulmonares
2º
Cerramiento de las válvulasmitral y tricuspide
1º
OrigenSonido
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R
C
vo
Electrode
Sonidos del corazón: Transductores y respuesta estenoscopio
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Pletismografia torácica de impedancia
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Pletismografía en miembros con bandas
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Pletismografía en miembros con bandas
Pletismografía con banda de mercurio (Mercury-in-rubber strain-gage)
a. Cuatro terminales aplicados a una pantorrilla
b. Salida del puente de Wheatstone con el método de oclusión venosaSalida para pulso arterial.
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Pletismografía en miembros con bandas
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Presión sanguínea
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Presión sanguínea con el esfigmomanómetro
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Presión: esfigmomanómetro automático
MAP
HR
SYS
Microcomputerwith memoryand I/O
Multiplexerand analogto digitalconverter
Deflate valve
Dumpvalve
Over-Pressureswitch
Auto-zerovalve
Pressuresensor
Cuff pressure
Cuff pressureoscillations
InternalExternal
BP cuff
Inflationsystem
DYS
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Presión sanguínea mediante ultrasonidos
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Presión sanguínea: mediante catéteres
Armature
Strain-gage wires
A
DC
B
Diaphragm
c
b
d
a
R4
∆ υo
υi
R3
R2
Ry
Ri
Rx
R1