01 bioseñales y sensores

BIOSEÑALES

Las señales biológicas son registros en el espacio, tiempo o
espacio-tiempo de eventos biológicos tales como el latido
cardiaco, o la contracción de un músculo. La actividad
eléctrica, química o mecánica que ocurre en este evento
biológico produce señales que pueden ser medidas y
analizadas. Así, las bioseñales pueden explicar los
mecanismos fisiológicos subyacentes de un sistema o evento
fisiológico.
Las bioseñales pueden obtenerse de muchas formas, p.e., el
médico que eschucha los ruidos cardiacos del paciente con
un estetoscopio o utilizando un equipo altamente sofisticado.

R.R.Horta O., Biónica, UPIITA. 1

SEÑALES BIOELÉCTRICAS
El sistema nerviosos y las células musculares generan señales
bioeléctricas que son resultado de cambios electroquímicos
dentro y entre células. Si una célula nerviosa o muscular es
estimulada lo suficiente, se generará un potencial de acción
(PA). Este representa el flujo de iones a través de la
membrana celular y puede ser medido utilizando electrodos
intracelulares. El PA generado por una célula excitada es
transmitido a las contíguas. Cuando se tienen muchas células
en este estado, se forma un campo eléctrico que se propaga a
traves del medio biológico. Los cambios en el potencial
extracelular se pueden medir en la superficie del organo u
organismo con electródos de superficie. Ejemplos de este
fenómeno son el electrocardiograma (ECG),
electromiograma (EMG) y el electroencefalograma (EEG).

SEÑALES BIOMAGNÉTICAS

Diferentes organos, como el corazón, el cerebro, los
pulmones, etc., generan campos magnéticos que son débiles
en comparación con otros cambios eléctricos en ellos. El
Biomagnetismo es la medición de señales magnéticas que
estan asociadas a una actividad fisiológica específica. Así, las
señales Biomagnéticas proporcionan valiosa información
adicional que no se obtiene de las señales Bioeléctricas,
como p.e. en la actividad intracelular.


SEÑALES BIOQUÍMICAS

Las señales Bioquímicas contienen información acerca de los
niveles y cambios de los agentes químicos del cuerpo. Por
ejemplo, se puede registrar y medir la concentración de
varios iones como del calcio y potacio así como los cambios
en la presión parcial del oxígeno (pO2) y del dióxido de
carbono (pCO2) en la sangre o sistema respiratorio. Estas
señales Bioquímicas se utilizan para la determinación de
otros estados, como niveles de glucosa, lactosa, metabolitos,
etc., y nos proporcionan información acerca de la función de
los sistemas fisiológicos.


SEÑALES BIOMECÁNICAS

Las señales Biomecánicas son resultado de las funciones
mecánicas de un sistema biológico, como el movimiento,
desplazamiento, tensión, fuerza, presión y flujo. La presión
sanguínea, p.e., es la medición de la fuerza que la sangre
ejerce en las paredes de las arterias. Los cambios en la
presión sanguínea se registran como una forma de onda en la
cual las crestas representan la contracción de los ventrículos,
expulsando la sangre del corazón hacia el cuerpo, siendo ésta
la máxima presión sanguínea, la presión sistólica. Los valles
de la forma de onda representa la relajación de los
ventrículos y la presión sanguínea cáe al valor mínimo, la
presión diastólica.

SEÑALES BIOACÚSTICAS

Las señales Bioacústicas son parte importante de las señales
Biomecánicas, en el sentido de vibración (ó movimiento).
Muchos eventos biológicos producen ruido acústico. El flujo
de sangre, p.e., en las válvulas cardiacas produce un sonido
distintivo. La medición de las señales Bioacústicas de las
válvulas cardiacas ayudan a determinar el funcionamiento
apropiado de éstas. Algunos músculos y el sistema
respiratorio generan también señales Bioacústicas que se
propagan a través del medio biológico y pueden ser
registradas y medidas en la superficie de la piel utilizando
transductores acústicos, como microfonos y acelerómetros.


SEÑALES BIOÓPTICAS

Las señales Bioópticas se generan de los atributos ópticos de
los sistemas biológicos. Algunas señales Bioópticas se
obtienen naturalmente o, en otros casos, son inducidas
utilizando técnicas biomédicas. El estado de salud de un feto,
p.e., puede determinarse midiendo las propiedades
fluorescentes del líquido amniótico. Se puede hacer una
estimación del gasto cardiaco utilizando el método de
dilución de un colorante y que implica el monitoreo contínuo
de la concentración de éste y de cómo recircula en el sistema.


SISTEMA HOMBRE INSTRUMENTO
Las señales biológicas o bioseñales, son primeramente
detectadas en un medio biológico, como desde el interior de
una célula hasta en la superficie de la piel a través de un
sensor. El sensor convierte la medida física en salida
eléctrica y constituye la interfase entre el sistema biológico
y el instrumento de medición y registro. Se tiene entonces un
sistema único constituido por el medio biológico y el
instrumento de registro y medición. Cuando este sistema
biológico esta constituido por un ser humano se dice que se
tiene un Sistema Hombre Instrumento, el cual deberá cumplir
con un mínimo de requerimientos de seguridad, como de
corrientes de fuga de los electrodos, chasis, etc., a tierra
física, entre otros.
R.R.Horta O.,Biónica, UPIITA. 8

SENSORES BIOMÉDICOS

Los sensores biomédicos son usados en la medicina clínica y
en la investigación biológica y biotecnológica para medir un
amplio rango de variables fisiológicas y biológicas. Un
sensor es un elemento capaz de transformar un tipo de
energía a otro que, junto con un acondicionador de señal, es
llamado Transductor. Por ejemplo, la corriente iónica de la
actividad eléctrica del corazón, músculos, etc., propagándose
a través de los fluidos corporales, considerados como
conductores de volumen, son transformados a corriente
eléctrica gracias a los electrodos de superficie de Plata-
Cloruro de Plata (sensores) y el gel correspondiente.


TRANSDUCTORES BIOMÉDICOS

Para la medición de la presión arterial invasiva, p.e., se
utilizan sensores de deformación como gálgas
extensiométricas o cristales de cuarzo, que junto a un arreglo
resistivo tipo puente, nos proporciona una señal eléctrica
correspondiente a la presión arterial. Esto es un transductor.
Estos sensores y transductores son rutinariamente utilizados
in vivo para efectuar el monitoreo continuo de variables
fisiológicas críticas de forma invasiva (dentro del cuerpo) o
no invasiva (fuera del cuerpo), así como también in Vitro
para procedimiento de diagnóstico (análisis de sangre, p.e.) o
bien en ex vivo para otro tipo de procedimiento de
diagnóstico (análisis microbianos, p.e.).

CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES
BIOMÉDICOS
Se suelen clasificar como físicos, eléctricos o químicos
dependiendo de la aplicación específica. Los Biosensores,
considerados una subclasificación de los sensores
biomédicos, son un grupo de sensores con dos
componentes: a) un elemento de reconocimiento
biológico, como una enzima purificada, un tipo de
anticuerpo o receptor, el cual funcione como mediador y
provea la selectividad deseada para detectar el
componente de interés y b) una estructura de soporte que
actúe también como transductor y esté en contacto íntimo
con el componente biológico. El propósito del transductor
es convertir la reacción química en otra forma
cuantificable: óptica, eléctrica u otra señal física.

MEDICIÓN DE BIOPOTENCIALES

En la medición de Biopotenciales, se utilizan diferentes
clases de electrodos especializados. La función de estos
electrodos es acoplar los potenciales iónicos generados
dentro del cuerpo a un instrumento electrónico. Los
electrodos para la medición de Biopotenciales se clasifican
como no invasivos (en la superficie de la piel) e invasivos
(dentro del cuerpo), por ejemplo, microelectrodos o
electrodos de aguja.


INTERFASE METAL/ELECTROLITO

Cuando un metal es colocado en una solución electrolítica (ionizable), se
crea una distribución de carga en la interfase metal/electrolito. Así se genera
un potencial llamado potencial de media celda (HCP). En la tabla se
muestran los HCP de algunos metales. Nótese que el electrodo de hidrogeno
se utiliza como referencia para la medición de los HCP de los demás.

ELECTRODOS DE ECG
Los electrodos superficiales para el registro de
biopotenciales suelen ser placas rígidas de una aleación de
zinc, níquel y plata. Algunos de estos se sujetan a la piel
por medio de una cinta elástica o con cinta engomada y con
un gel electrolítico que debe ser aplicado entre el metal y la
piel para establecer un buen contacto eléctrico. Los
principales ingredientes del gel electrolítico, son agua y
sales iónicas como NaCl y KCl. También hay electrodos de
succión, para ECG, los cuales se pueden mover fácilmente
de un lugar a otro para diferentes mediciones. Un 3er. tipo,
es el electrodo flexible, hecho de polímeros conductores
debido al carbón y metales disueltos y con un gel de AgCl.
El electrodo más común es el “flotante” Ag/AgCl, con un
fino depósito electroquímico de AgCl en la pláca de Ag y
una “almoadilla” saturada en pasta electrolítica.

ELECTRODOS DE ECG


ELECTRODOS PARA EMG
Existen varios tipos de electrodos para el registro de estos
biopotenciales. De las propiedades eléctricas de estos
electrodos, así como de la zona de interés, es la forma y
tamaño de la señal registrada. Para registros superficiales de
EMG y estudios de conducción nerviosa, suelen ser
circulares de 1 cm de diámetro y hechos de plata o platino.
Para mediciones directas de fibras musculares o nerviosas se
utilizan electrodos percutaneos de aguja:


ELECTRODOS PARA EMG

El electrodo de aguja más común es el bipolar concéntrico
(a), hecho de 2 alambres encapsulados en una aguja
hipodérmica o cánula. Los alambres sirven tanto para
registro como de referencia.
Otro tipo de electrodo percutáneo de EMG es el de aguja
unipolar (b). Este consta de un fino alambre aislado con
Teflón y con cerca de 0.3 mm en la punta sin aislar. A
diferencia del bipolar, éste requiere un segundo electrodo de
referencia en forma adyacente ó en la superficie de la piel,
para cerrar el circuito.


ELECTRODOS PARA EEG

Los electrodos más comunes para el registro de
biopotenciales cerebrales (electroencefalografía) son los
electrodos de copa y los electrodos subcutáneos. Los de
copa están hechos de platino ó estaño con
aproximadamente 5-10 mm de diámetro. Se rellenan de gel
electrolítico y se sujetan al cuero cabelludo con cinta
adhesiva. Los electrodos subcutáneos son básicamente
electrodos de aguja hechos de platino o acero inoxidable
con 10 mm de longitud y 0.5 mm de diámetro. Se insertan
debajo de la piel para proveer un mejor contacto.


MICROELECTRODOS
Son electrodos con punta enconada tan fina que pueden
insertarse en células biológicas individuales. Se utilizan para el
registro de potenciales de acción en estudios neurofisiológicos.
La punta debe ser más pequeña que la célula para evitar daño a
ésta y lo suficientemente fuerte para poder penetrar la pared
celular. Se tienen 3 microelectrodos típicos: a) Micropipetas de
vidrio, con diámetro de 0.1-10 µm, rellenas de KCl al 3M de
solución electrolítica y un filamento de platino Ag/AgCl; b)
Microelectrodos de metal duro, tungsteno o acero inoxidable,
con punta afilada electroquímicamente y aislado hasta casi la
punta con diámetro de unas pocas µm; c) Microelectrodos de
estado sólido, para registros multicanal en neuronas cerebrales
o en medula espinal.

MICROELECTRODOS


TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
La temperatura del cuerpo es una de las variables fisiológicas más
rigurosamente monitoreadas y controladas. En el interior del cuerpo es
constante, de 37°C ±0.5°C. Temperaturas diferentes son síntoma de algún
padecimiento o infección. La medición suele hacerse en las axilas o en
cavidades como la boca o el recto. Comúnmente se utilizan los termistores,
hechos de óxido de varios metales como Níquel, Manganeso y Cobalto,
dado que cambian su valor resistivo con un coeficiente negativo con los
cambios de temperatura:


Matemáticamente, la resistencia del termistor depende de la temperatura como:
  1 1 
RT = RO exp  β  − 
T T 
  O 
Donde Ro es la resistencia a una temperatura de referencia To (en °K), y β es una
constante del material (entre 2500 y 5500°K).
Otra técnica, es la de utilizar una guía de radiación (especulo) infrarroja con
laminación de oro, hacia un sensor térmico aislado del medio ambiente para evitar
corrimientos:


En la técnica de
termodilución
sanguínea, se utiliza un
termistor para medir la
caída de temperatura
debido a la inyección
de una cantidad
conocida de agua salina
(de 0 a 5°C) en la vena
femoral o yugular. Se
miden tiempos y la
caída de temperatura en
la arteria pulmonar.
Finalmente se puede
hacer la correlación al
volumen sanguíneo
expulsado por el
corazón por minuto:

GASES EN SANGRE Y SENSORES DE pH

Las mediciones de gases en sangre arterial (pO2 y pCO2) y pH es
realizada frecuentemente para pacientes críticos en cirugía o en
Unidades de Cuidados Intensivos y usadas por fisiólogos para
determinar algún ajuste en la ventilación mecánica o para la
administración de fármacos. Estas mediciones proporcionan información
acerca de los desbalances metabólicos y respiratorios en el cuerpo y
reflejan lo adecuado de la oxigenación de la sangre y eliminación de
CO2.
Tradicionalmente, este tipo de análisis se efectúa substrayendo sangre de
una arteria periférica. La muestra es entonces llevada al Laboratorio
Clínico para su análisis. Sin embargo, algunas veces los fisiólogos
tienen la necesidad de contar con los resultados de forma inmediata,
debido a la inestabilidad del paciente y su estado crítico.


Existen sensores no invasivos para la medición de O2 y
CO2 en sangre basados en el descubrimiento de que estos
gases pueden difundirse a través de la piel, debido a la
diferencia de presión que se establece. Esto ha llevado al
desarrollo de sensores electroquímicos no invasivos para
el monitoreo de pO2 y pCO2 de forma transcutanea. Mas
aún, el descubrimiento de que la sangre cambia de color
dependiendo de la cantidad de oxígeno ligado a la
hemoglobina en los eritrocitos, ha llevado al desarrollo de
métodos ópticos para medir la saturación de oxígeno en
sangre.


Manejo de Tanques de O2

Hay que saber y recordar que cuando se manejen los
tanques y válvulas de un sistema de O2, se debe evitar el
uso de lubricantes tales como grasas y aceites. Esto es
debido a que el contacto del O2 con estas sustancias puede
provocar combustión y poner en riesgo el área en que se
encuentre.
TAREA para derecho a examen: Llenar TRES HOJAS
tamaño carta, letra pequeña, una frase tras otra: “No
exponer grasas ni aceites al oxígeno”.


TRANSDUCTORES DE FLUJO DE AIRE
Estos transductores miden las caídas de presión provocadas por una
pequeña “pantalla” en la parte media del tubo. Éste es cónico para
propiciar un flujo laminar del aire exhalado. Esta caída de presión es
medida con un transductor de presión diferencial y la señal obtenida es
proporcional a la velocidad del aire. También contiene un calefactor para
evitar que se condense el vapor de agua. Se le llama “Neumotacómetro” y
es posible medir volumenes, flujos y frecuencias respiratorias:


Ventilación Pulmonar

El método tradicional de proporcionar asistencia
ventilatoria mecánica está basado en la aplicación de
presión positiva (PPV) al sistema pulmonar. El flujo de
gas se administra a través de una vía aérea artificial
mediante un tubo endotraqueal, un tubo nasotraqueal o
bien mediante una cánula en la traqueotomía. Los
ventiladores se pueden clasificar en:

a) Controlados por volumen :
Suministran un flujo inspiratorio hasta alcanzar el
volumen fijado previamente, este tipo de ventilador
proporciona siempre el mismo volumen corriente
independiente de la resistencia que ofrezca el sistema
respiratorio del paciente.

b) Controlados por presión : Suministran flujo
inspiratorio hasta alcanzar una presión fijada
previamente.

c) Controlados por tiempo : Suministran gases hasta
que se cumpla el tiempo de inspiración fijado
previamente.

d) Ventilación de alta frecuencia : Suministran una
mayor frecuencia respiratoria, de manera que se puede
administrar un volumen más bajo.


Ventilación Pulmonar
Se tienen también los MODOS VENTILATORIOS, estos
son según la forma en que se inicia el ciclo inspiratorio: IPPV,
respiración espontánea, CMV, etc.

Los riesgos que se deberán tomar en cuenta son:
•Barotrauma, ocurre cuando un gradiente de presión elevada se
establece entre los alvéolos y el lecho vascular adyacente
produciendo ruptura de los alvéolos sobredistendidos, el riesgo
de barotrauma aumenta con la imposición de presiones
externas mayores que el nivel de presión máximo de la
inspiración.
•Intoxicación por oxígeno, generada por la administración
prolongada de altas concentraciones de oxígeno.
•Cantidad de vapor de agua en el gas, temperatura, etc.

MEDICIONES FÍSICAS
TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO.- Los transductores
inductivos de desplazamiento están basados en una bobina L:
L=n2Gµ
donde G es una constante de forma geométrica, n es el número de
espiras y µ es la permeabilidad del medio. La variación de la propia
inductancia o de la inductancia mutua entre dos o más, es un
indicativo del desplazamiento, típicamente a través de un núcleo móvil
de ferrita o hierro.
El tipo más usado el el llamado Transformador Lineal Variable
Diferencial (LVDT), el cual consta de 3 bobinas, una primaria (P) y
dos secundarias (S1 y S2) conectadas en serie pero con polaridad
opuesta para alcanzar un amplio margen de respuesta. Las 3
inductancias mutuas son alteradas por el movimiento del núcleo
ferromagnético. Vin es un voltaje alterno el cual induce a través del
núcleo un campo magnético alterno en los secundarios pero en
sentidos opuestos. Con el núcleo en el centro, el voltaje neto de salida
es cero. El voltaje inducido es entonces proporcional al
desplazamiento del núcleo.

TRANSDUCTOR LVDT Y SU RESPUESTA


TRANSDUCTOR DE FLUJO
ELECTROMAGNÉTICO
El flujo de sangre, con velocidad u, a través de un vaso sanguíneo
de diámetro l y colocado en un campo magnético B perpendicular
al flujo, provoca la separación de aniones y cationes debido a una
fuerza F, normal a B y al flujo sanguíneo:
F = q u×B ( )
donde q es la unidad de carga elemental. La separación de estas
partículas moviéndose sobre la pared interna del vaso genera una
fuerza contraria Fo :
 
V
FO = q E = q 
l 
donde E es el campo eléctrico debido al movimiento de las
partículas cargadas y V es el potencial a través del vaso:
V = Blu
Así el V es proporcional al flujo de sangre. En equilibrio, V=0.

TRANSDUCTOR DE FLUJO
ELECTROMAGNÉTICO
Es un probador de gancho que queda ajustado al vaso sanguíneo
y contiene bobinas eléctricas para producir un campo magnético
transversal al flujo sanguíneo. Además contiene dos electrodos
para el sensado de los biopotenciales inducidos. El voltaje de
flujo inducido tiene la misma frecuencia de la excitación
magnética.
Se evitan
errores de
corrimiento
de voltaje
utilizando
voltaje de
AC.


TRANSDUCTORES DE
DESPLAZAMIENTO

Un potenciómetro es un transductor tipo resistivo que convierte un
desplazamiento lineal o angular en un voltaje de salida, a través
de un contacto deslizable a lo largo de la superficie del elemento.


TRANSDUCTOR ELÁSTICO RESISTIVO
Algunas veces es deseable medir los cambios de volumen en
alguna extremidad cuando el flujo sanguíneo es temporalmente
ocluido. Esto es la Pletismografía, para la detección de coágulos
sanguíneos. Ajustando un transductor elástico resistivo en una
pierna, se mide la razón de cambio de la resistencia en el tiempo.
Con la existencia de un coagulo, el volumen de sangre tardará
más tiempo en desalojar la extremidad a través de las venas
después de remover la oclusión. El cálculo de la variación
resistiva está dado por un Factor de Estiramiento proporcionado
por el fabricante:
 l Final 
RFINAL = F .E.
l 

 Inic. 
Un transductor elástico similar se utiliza para el seguimiento de los
ciclos respiratorios, sujetando la banda elástica al tórax.


TRANSDUCTOR ELÁSTICO RESISTIVO


MEDICIONES FÍSICAS

TRANSDUCTORES DE TENSIÓN.- Los transductores de tensión
miden los cambios en la longitud de un objeto debido a una fuerza
aplicada. Producen un cambio proporcional de resistencia en
respuesta a un cambio fraccional (∆l) en la longitud del objeto o
tensión S:
∆l
S=
l
Por ejemplo, un conductor de longitud l, área transversal A y
resistividad ρ , tiene una resistencia:
l 
R = ρ 
 A


Si se somete a una tensión, dentro de su límite de elasticidad, ∆l, el
volumen debe permanecer constante:
lA
lA = (l + ∆l ) At ∴ At =
(l + ∆l )
 l + ∆l  l

⇒ Rt = ρ   ⇒ ∆R = Rt − ρ
 At   A
Por lo que:

∆R = ρ
( l + ∆l ) 2 − ρ
=
(
l ρ l 2 + 2l∆l + ∆l 2 − l 2
⇒ ∆R = ρ
)2∆l
=R
2∆l
lA A Al A l
∆R R
→G = ≈ 2 ⇒ Factor de Tensión.
∆l l
Para un conductor metálico como el Constantán, G es
aproximadamente 2. Los de tipo semiconductor tienen una G de 70
a 100 veces mayor, por lo que son más sensitivos.

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
Las galgas extensométricas se clasifican típicamente en “unidas” y “no unidas”. Un
transductor de tensión unido consta de un filamento conductor resistivo depositado
sobre una placa semiflexible:

Este conductor resistivo, modifica su valor óhmico cuando es sometido a alguna
deformación que lo estreche o alargue.


TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
Un transductor de presión no unido consta de varios (4) filamentos resistivos
depositados entre una placa rígida móvil y un marco rígido estático. Cuando una
fuerza deformante actúa sobre esta estructura, dos de los filamentos se estrecha
y los otros se alargan. Esta configuración en Puente Resistivo se utiliza en los
transductores de presión sanguínea invasivos:


TRANSDUCTOR DE DESPLAZAMIENTO
CAPACITIVO
La capacitancia C entre dos placas iguales paralelas de sección transversal A y
separadas una distancia d es:
 A
C = ε oε r  
d 
Donde εo es la Cte. Dieléctrica en vacío y εr es la relativa del material aislante
entre las placas.
El método común de uso, es conservar inmóvil una placa mientras la otra se
mueve, variando d:
Se utiliza para medir
respiración ó
movimientos del paciente
y a veces como
transductor de presión
sanguínea.


TRANSDUCTOR DE EFECTO
PIEZOELÉCTRICO
Son usados extensamente en cardiología para escuchar los
sonidos cardiacos (fonocariografía), presión sanguínea y en
general, para medir fuerzas y aceleraciones fisiológicas.
Pueden emitir ondas acústicas ultrasónicas (>20Khz) para
medir flujo sanguíneo y visualizar estructuras de órganos
internos. El principio piezoeléctrico consiste en que al deformar
una malla de moléculas cristalinas asimétricas con una fuerza
F, las cargas positivas y negativas son reorientadas y se
inducen densidades de carga superficial opuestas en las caras
del cristal.
Estas cargas son
directamente
proporcionales a la
fuerza aplicada:
Q
Q = kF ∴ V =
C

BIBLIOGRAFÍA

-Enderle J., Blanchard S., Bronzino J.
INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ENGINEERING
Ed. Academic Press, 2000, p. 1076.
-DuBovy, J.
INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ELECTRONICS
Ed. McGraw Hill, 1978, p. 391


01 bioseñales y sensores

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (12)

Similar to 01 bioseñales y sensores

Similar to 01 bioseñales y sensores (20)

01 bioseñales y sensores