BASES de la ELECTROMEDICINA

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BASES de la ELECTROMEDICINA

• Unidad 2.
• Señales biológicas y Potenciales bioeléctricos.
• Origen y captación.

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Contenido

• Señales biomédicas
• Actividad eléctrica de las células vivas. Bomba
  de Sodio Potasio.
• Electrodos. Principios de funcionamiento.
• Seguridad electromédica y aislamiento.

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Objetivos

• Explicar el origen de la actividad eléctrica en
  los seres vivos.
• Describir los principios fundamentales de trabajo
  de los electrodos utilizados en Electromedicina.
• Conocer los riesgos relacionados con el uso de
  equipos electromédicos.
• Emplear apropiadamente las normas de seguridad
  relativas al uso de equipos electromédicos.

4
Características generales de las señales
bioeléctricas.

• Los potenciales bioeléctricos del cuerpo humano o
  de cualquier animal raramente son
  determinísticos. Sus magnitudes varían con el
  tiempo, incluso cuando todos los factores que las
  originan están controlados. Los valores de la
  misma medida pueden variar enormemente entre
  diferentes individuos aunque estos estén sanos y
  las condiciones de medición sean las mismas. Esto
  quiere decir que los valores pueden ser muy
  diferentes para diferentes personas aunque sean
  valores normales en ellos.
• A continuación se comentan algunos de los valores
  típicos para diferentes señales bioeléctricas

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PROBLEMÁTICA DE LA CAPTACIÓN DE LAS SEÑALES
BIOELÉCTRICAS.

• El principal problema de la captación de las
  señales bioeléctricas proviene de los valores de
  amplitud y frecuencia de las mismas.
• Dichas amplitudes son pequeñas y a menudo se
  encuentran contaminadas de ruido que incluso
  puede ser superior al valor de la propia señal.

6
Fuentes de ruido e interferencia en un
bioamplificador
7
Interferencias externas al equipo de medida

• Capacitivas
• Acoplamiento capacitivo con el paciente.
• Acoplamiento capacitivo con los conductores y el
  equipo.
• Inductivas.
• Originadas por la interfaz electrodo-electrolito-p
  iel.
• Debidas a otros potenciales bioeléctricos.
• Debidas a otros sistemas fisiológicos.
• Debidas a cargas electrostáticas.

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Acoplo capacitivo de la red con el cuerpo del
paciente
9
Acoplamiento capacitivo con los conductores
10
Interferencias inductivas

• Bucle de interferencia magnética

• a) Disposición correcta de cables.
• b) Disposición incorrecta.

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Potencial de contacto electrodo-piel

• Al colocar un electrodo en contacto con la piel a
  través de un electrolito se produce una
  distribución de cargas entre la interfaz
  electrodo-electrolito que da lugar a la aparición
  de un potencial conocido como potencial de media
  celda.
• Si el electrodo se mueve respecto del
  electrolito, se producirá una alteración en la
  distribución de la carga que provocará una
  variación transitoria del potencial de media
  celda.
• De la misma forma, en la interfaz
  electrolito-piel también existirá una
  distribución de cargas y, por tanto, un potencial
  de equilibrio que variará si se produce
  movimiento entre la piel y el electrolito. Este
  tipo de interferencias (en inglés motion
  artifact) producen una fluctuación de la señal a
  frecuencias muy bajas (lt1 Hz), no susceptibles de
  ser filtradas debido a la gran cantidad de
  información que poseen a estas frecuencias la
  señal del ECG y del EOG, y en general la mayoría
  de los biopotenciales.
• Este problema se puede solventar fijando el
  electrodo a la piel, de forma que se evite
  cualquier movimiento. Y utilizando electrodos de
  materiales que presenten polarizaciones menores
  como los electrodos de plata-cloruro de plata.
• La unión electrodo-electrolito-piel puede
  modelarse eléctricamente como una tensión
  continua en serie con una impedancia tal como se
  muestra en la siguiente figura
• En una amplificación diferencial si los
  potenciales de contacto fueran iguales no
  existiría ningún problema. En la práctica es
  imposible conseguir esta igualdad, por lo que la
  señal bioeléctrica estará superpuesta a una
  tensión continua, siendo ambas amplificadas. Ello
  limita la ganancia de la primera etapa
  amplificadora, ya que esta tensión continua
  podría saturar el amplificador.

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Interferencias provocadas por otros potenciales
bioeléctricos

• Una fuente de interferencias, difícilmente
  evitable, la constituye la actividad de otros
  potenciales bioeléctricos presentes en el
  organismo. Pueden citarse, por ejemplo, las
  interferencias del ECG materno en el registro del
  ECG fetal, o las del EMG (electromiograma) sobre
  el ECG y especialmente sobre la señal del ECG
  registrada en una prueba de esfuerzo.
  Considerando ahora el EOG pueden detectarse
  interferencias provocadas por el EEG
  (electroencefalograma) o por acciones musculares
  como masticar, abrir o cerrar los ojos..etc.
• No existe una forma clara de evitar dichas
  interferencias. Así, por ejemplo, en el registro
  de las señales del ECG es importante que el
  paciente esté relajado y en reposo, procurando
  que su actividad muscular sea la mínima posible.
• Otra solución es la colocación adecuada de los
  electrodos para que una señal quede realzada
  respecto de la otra. Ello es posible por la
  influencia que tienen los factores geométricos en
  la amplitud y forma de las señales bioeléctricas.

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Interferencias provocadas por otros sistemas
fisiológicos

• La interacción entre los diferentes sistemas
  fisiológicos de los seres vivos se traduce en la
  aparición de interferencias sobre la señal que se
  desea medir.
• Una de las interacciones más estudiadas es la
  variación de las señales del sistema
  cardiovascular por la acción del sistema
  respiratorio. Este provoca cambios de amplitud y
  de forma en los registros del ECG, así como una
  variación del ritmo cardíaco.

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Interferencias provocadas por cargas
electrostáticas.

• Reciben este nombre las interferencias provocadas
  por la circulación, a través de los electrodos a
  tierra, de las cargas electrostáticas almacenadas
  en el cuerpo del paciente. Ello provoca,
  normalmente, fluctuaciones de la línea base y, en
  ocasiones la saturación de los amplificadores.
• La generación de la carga electrostática puede
  tener diversos orígenes y es almacenada en la
  capacidad creada entre la superficie corporal y
  tierra. Esto provoca la aparición de una
  diferencia de potencial entre el cuerpo y tierra
  que dependerá de la carga generada.
• Las cargas triboeléctricas también provocan
  interferencias de modo común e interferencias de
  modo diferencial cuya magnitud depende, sobre
  todo, de las impedancias de las interfaces
  electrodo-piel.

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Interferencias internas al equipo de medida

• Provocadas por el transformador de la fuente de
  alimentación.
• Debidas al rizado de la fuente de alimentación.
• Ruido generado por los componentes electrónicos.

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Interferencias debidas a la fuente de alimentación

• Si la fuente de alimentación del amplificador
  incorpora un transformador, el rizado de 100 Hz,
  correspondiente a la rectificación de los 50 Hz
  de la red, provocara interferencias que pueden
  ser importantes.
• Cuando se utilizan amplificadores operacionales
  el problema se reduce a elegir un componente con
  una relación de rechazo frente a variaciones de
  la tensión de alimentación (PSRR, power supply
  rejecction ratio) lo suficientemente grande. Este
  dato lo suministra el fabricante.
• También influye el valor del rechazo al rizado
  del regulador de la fuente de alimentación.
• Una solución aceptable para solucionar estos
  problemas es usar baterías para alimentar el
  amplificador, que además de reducir el ruido de
  alimentación, añaden seguridad al paciente.
• En cualquier caso, pueden utilizarse redes de
  filtrado en las alimentaciones que sirven para
  atenuar la interferencia del rizado de la fuente.

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Ruido generado por los componentes electrónicos

• Los componentes electrónicos, bien sean activos o
  pasivos, generan señales de ruido, en general
  aleatorias, que contaminan las medidas.
• En los sistemas que requieren grandes
  amplificaciones, este problema puede ser crítico
  y exige una adecuada selección de los componentes
  de las primeras etapas.

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Electrodos

• Para medir potenciales biológicos debe tenerse en
  cuenta que los tejidos vivos son conductores
  iónicos.
• El dispositivo empleado para recoger tales
  potenciales recibe el nombre de Electrodo.
• En Electrofisiología, el problema es mas crítico,
  ya que al colocar el electrodo sobre una porción
  de tejido se crea una interfase entre ambas, que
  es el lugar donde se produce la conversión iónica
  a electrónica.

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Interfase Electrodo Electrolito La corriente
viaja del electrodo a la izquierda hacia el
electrolito a la derecha. El electrodo consiste
de átomos de un metal C. El electrolito es una
solución acuosa que contiene cationes (iones
positivos) del electrodo metálico C y aniones
(iones negativos) de la solución acuosa A-.
20
Tipos de Reacciones

• De Oxidación
• Pasan iones metálicos del electrodo hacia la
  solución.
• El electrodo queda negativo.

• De Reducción
• Pasan iones metálicos desde la solución
  hacia el electrodo, y este queda positivo.

21
Doble capa iónica
Los iones se agrupan formando una capa tenue que
cubre la superficie del electrodo. Este fenómeno
origina un efecto de condensador cargado que se
explica dado que las capas son de signo opuesto y
están separadas por una distancia. Esto ocasiona
la presencia de un potencial que se denomina
potencial de offset del electrodo ó potencia
de media celda.
22
Distribución de cargas

• En un electrodo real.
• Eléctricamente equivale a una serie R C en
  paralelo con una resistencia.

b) En un electrodo no polarizado.
Eléctricamente equivale a una resistencia.
23
Distribución de cargas(para electrodos de
superficie)
24
Características de los electrodos

• Las mas importantes, ya que producen el potencial
  de offset
• Ruido
• Deriva de la línea base
• Tiempo de Recuperación
• Otras características que deben tenerse en
  cuenta
• El material del electrodo debe ser químicamente
  inerte para evitar la irritación de los tejidos
  donde se aplica.
• Las características mecánicas demandan fortaleza,
  facilidad de limpiar y / o esterilizar y de
  aplicación simple al paciente.
• El material empleado en su construcción debe ser
  buen conductor de la electricidad, a fin de que
  los potenciales recogidos sobre el tejido lleguen
  al instrumento biomédico con la menor atenuación
  y deformación posibles.

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Ruido ó fluctuaciones rápidas
(B) Estabilizados (mediante un proceso de
inmersión en una solución salina llamado
cloruración )
(A) Electrodos sin estabilizar
26
Deriva de línea base ó fluctuaciones lentas
27
Tiempo de Recuperación

• Dada su capacidad para almacenar energía - a
  partir de la formación de la doble capa iónica y
  su efecto inherente de condensador ó capacitor
  cargado-, cuando se somete la interfase electrodo
  piel a una corriente continua de alta densidad
  en amperes por cm2, (como por ejemplo, al aplicar
  un desfibrilador), los electrodos almacenaran
  energía, y demoraran un cierto tiempo luego en
  estabilizarse.
• Esta característica se denomina de
  almacenamiento de carga, y lo deseado es que su
  valor sea lo mas reducido posible.

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Polarización química de un electrodo

• Electrodos perfectamente polarizables No existe
  carga que atraviese la interfase electrodo
  electrolito cuando se aplique una corriente.
• Electrodos perfectamente no polarizables
  Aquellos por los cuales la corriente fluye a
  través de la interfase electrodo electrolito
  sin requerir energía para su transición.
• En la práctica no es posible fabrica ninguno de
  estos dos tipos de electrodos, aunque algunos
  pueden acercarse a las características deseadas
  por ejemplo, los electrodos de Platino.
• Debido a que los materiales que forman los
  electrodos son relativamente inertes, es difícil
  para ellos oxidarse ó disolverse.

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Corte transversal de un electrodo de Plata /
Cloruro de Plata ( Ag/AgCl)

• El electrodo de Plata / Cloruro de plata se
  acerca a las características de un electrodo
  perfectamente no polarizable.
• Su conducta está dada por dos reacciones
  químicas
• oxidación de los átomos de plata en la superficie
  del electrodo para formar Ag y
• combinación de los iones de Cl- con los de Ag
  para formar el compuesto AgCl

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Electrodo de Ag/AgCl formado por un alambre de
plata rodeado por cloruro de plata en forma de un
cilindro.Este tipo de empaquetamiento tiene
mayor duración.
31
Este circuito es el circuito equivalente para un
electrodo de biopotenciales en contacto con un
electrolito.Ehc es el potencial de media celda,
Rd y Cd establecen la impedancia asociada con
dicha interfase electrodo electrolito y los
efectos de la polarización, y Rs es la
resistencia en serie asociada con los efectos de
la interfase y debida a la resistencia en el
electrolito.
Modelo Circuital
32
Esta gráfica muestra la Impedancia como función
de la frecuencia para electrodos de Ag aislados
con una capa depositada electrolítica mente de
AgCl.
33
Magnitud de la Impedancia, determinada
experimentalmente, como una función de la
frecuencia para los electrodos.
34
Interfase Electrodo - Piel
Sección ampliada de la piel, mostrando sus
diversas capas.
35
Un electrodo de superficie se coloca en contacto
con la piel. El diagrama muestra el circuito
eléctrico equivalente obtenido en esta
situación.Cada elemento del circuito equivalente
a la derecha está situado aproximadamente al
mismo nivel en que ocurre el proceso físico que
representa en el diagrama de la izquierda.
Ehe
Electrodo
Rd
Cd
Glándulas sudoríparas
y sus conductos
Gel
Rs
Ese
EP
Epidermis
Re
RP
CP
Ce
Dermis y
Capas subcutáneas
Ru
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Tipos de Electrodos

• Electrodos de Superficie
• Capacitivos
• De Contacto directo
• Electrodos Intratisulares
• Electrodos Intracelulares

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Electrodos capacitivos

• Consisten en una placa metálica recubierta por
  una capa delgada de material aislante de elevada
  constante dieléctrica como el óxido de aluminio,
  el óxido de tantalio ó el dióxido de silicona.
• La piel debajo del electrodo constituye la otra
  placa del condensador.
• Se utilizan cuando se desea independizarse de los
  fenómenos de polarización, fluctuaciones,
  almacenamiento de carga ó el uso de gel ó pasta
  de acople.

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Electrodos de Contacto directo

• Los materiales mas usados en su confección son
  plata alemana (aleación de Ni Cu y Zn) y
  aleación de Ni - Ag
• Son los mas comúnmente utilizados en ECG, VCG,
  EEG, EOG y ERG.
• Son menos utilizados en EMG.
• Existen las siguientes variedades
• Planos
• De succión
• Multipuntuales
• Suspendidos
• Miniatura ó de pequeña masa
• Radiotransparentes
• De interfase anhidra
• intracavitarios

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Electrodos de Superficie
(a) Electrodo de placa de metal utilizado para su
aplicación a las extremidades.
(b) Electrodo de disco de metal aplicado con
cinta quirúrgica.
(c) Electrodos desechables en forma de disco,
utilizados con equipos de monitorización
electrocardiográfica.
40
Electrodo metálico de succión utilizado en las
derivaciones precordiales de los
electrocardiógrafos.
41
(a) Electrodo con estructura de sombrero de copa.
(b) Vista en sección del electrodo en (a). (c)
Vista en sección de un electrodo desechable Este
electrodo forma un disco abierto, saturado con
gel electrolítico y colocado sobre el electrodo
de metal.
Disco de metal
Empaquetado para aislamiento
Anillo de cinta adhesiva
Gel electrolito en reposo
(a)
(b)
Ag-AgCl
Agarre externo
Electrodos superficiales flotantes de metal
Esponja protegida por Gel
Copa plástica
Disco plástico
Placa
Material celular muerto
Soporte aislante
Lazos capilares
Capa en germinación
(c)
42
Electrodos flexibles

1. Electrodo de carbono rellenado con goma de
   silicona.
2. Electrodo neonatal de película fina.
3. Vista en sección del electrodo de película fina
   en b).

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Electrodos de Aguja y de Alambre

• Se utilizan para mediciones percutáneas de
  biopotenciales.
• Electrodo de aguja aislada.
• Electrodo Coaxial de aguja.
• Electrodo Bipolar coaxial.
• Electrodo de alambre fino conectado a una aguja
  hipodérmica antes de ser insertado.
• Vista en corte seccional de la piel y el músculo
  que muestra la colocación del electrodo de
  alambre fino.
• Vista en corte seccional de la piel y el músculo
  que muestra la colocación del electrodo aislado
  de alambre fino.

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Electrodos para detectar electrocardiograma
fetal, mediante agujas intracutáneas (a)
Electrodo de Succión. (b) Vista en sección de un
electrodo de succión en su ubicación, que muestra
la penetración del dispositivo a través de la
epidermis. (c) Electrodo en forma de hélice que
es acoplado a la piel del feto mediante una
acción de atornillado.
45
Electrodos implantables para detectar
biopotenciales (a) Electrodo de lazo de
alambre. (b) Electrodo de esfera de plata para
potenciales corticales.(c) Electrodo
multielemento profundo.
46
Ejemplos de arreglos de electrodos (a) Arreglo
de electrodos unidimensional (b) Arreglo
bidimensional, y (c) Arreglo tridimensional
Insulated leads
Contacts
Ag/AgCl electrodes
Ag/AgCl electrodes
Contacts
Base
(b)
Base
Insulated leads
(a)
Tines
Exposed tip
Base
(c)
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Estructura de un microelectrodo de metal para
toma de muestras intracelular.
48
Estructura de microelectrodos de metal
(b) Micropipeta de vidrio aislada con una
película metálica.
(a) Micropipeta de metal rellenada con vidrio.
49
Electrodo micropipeta de vidrio rellenado con una
solución electrolítica
(a) Sección que muestra capilar de vidrio. (b)
Capilar estrechado mediante calentamiento y
compresión. (c) Estructura final del
microelectrodo pipeta de vidrio.
50
Diferentes tipos de microelectrodos fabricados
usando tecnología microelectrónica (a) Electrodo
múltiple en forma de abanico. (b) Multielectrodo
de silicona (c) Electrodo Multiple-cámara (d)
Electrodo para nervio periférico
Bonding pads
Insulated lead vias
SiO2 insulated Au probes
Exposed electrodes
Silicon probe
Si substrate
Exposed tips
(b)
(a)
Miniature insulating chamber
Channels
Silicon chip
Hole
Lead via
Silicon probe
Contact metal film
Electrode
(d)
(c)
51
Circuito equivalente de microelectrod metálico
(a) Electrodo situado en una célula que muestra
el origen de microcapacitancia. (b) Circuito
equivalente. (c) Simplificación del circuito
equivalente.
N Nucleus C Cytoplasm
A
Insulation
Metal rod
B
A
Rs
Cw
Cell membrane
Cd
Tissue fluid
B
Cd2


Reference electrode
-
Membrane potential

-
-


-
C
-

Rmb
Rma
Cmb

Cma
-
-

-

-
Cdi
N

-
-
-


Emb
Ema

-
-
-
-
-
-

-

-
-
-


Ri
Re

Emp




(b)
(a)
Rma
A
Emp Membrane and action potential
Cma
0
Cd Cw
E
B
Ema - Emb
(c)
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Circuito equivalente de un electrodo micropipeta
de vidrio (a) Electrodo situado en una célula
que muestra el origen de la microcapacitancia
distribuida. (b) Circuito equivalente. (c)
Simplificación del circuito equivalente.
A
B
To amplifier
A
B
Electrolyte in micropipet
Glass
Rma
Cma
Ema
Stem
Internal electrode
Environmental fluid
Rt
Cmb
Rmb
Cd
Taper
Ej
Cd
Reference electrode
Emb
Tip
Cell membrane


Et




-
-
-
-
-
-

-

-
Ri
Re

-
N

-
(b)

-
Emp

-
Cytoplasm N Nucleus

-

-
-

-
-
-
-
-
-


(a)




Cell membrane
Rt
A
Membrane and action potential
0
Cd Ct
Emp
Em
B
Em Ej Et Ema- Emb



(c)
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Formas de onda de Corriente y Voltaje que se
aprecian en los electrods utilizados para
estimulación eléctrica.(a) Estimulación con
corriente constante. (b) Estimulación con
voltaje constante.
i
t
u
Polarization potential
Ohmic potential
Polarization potential
t
(a)
u
t
i
Polarization
Polarization
t
(b)
54
Conclusiones
55
Bibliografía

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   Conceptos Básicos de la Instrumentación
   Biomédica.
2. Bronzino,J.D. (Editor) The Biomedical
   Engineering Handbook, 2nd Ed. IEEE Press, 2000
3. Brown,B.H. Smallwood,R.H. Barber,D.C.
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   2001
4. Carson,E. y Cobelli,C. Modelling Methodology for
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