Electrodos para biopotenciales: teor

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Electrodos para biopotencialesteoría
electroquímica y modelos eléctricos
núcleo de ingeniería biomédica facultades
de ingeniería y medicina universidad de la
república
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Electrodos para biopotencialesteoría
electroquímica y modelos eléctricos

• Objetivos de la clase
• Entender el principio electro-químico de
  funcionamiento de los electrodos de
  biopotenciales
• Dar un modelo equivalente eléctrico
• Estudio cualitativo de fuentes de ruido y
  distorsión
• Entender cómo utilizar el modelo para tomar
  criterios de diseño de amplificadores de señales
  biológicas

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Introducción

• Las corrientes generadas por biopotenciales son
  de origen iónico.
• Los equipos de medida funcionan mediante
  corrientes electrónicas.

Es necesario un elemento de transducción entre
corrientes iónicas y electrónicas
ELECTRODOS
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Interfase Electrodo-Electrolito
Electrolito Contiene iones libres, se comporta
como conductor eléctrico. Consisten de iones en
solución soluciones iónicas.
Electrodo Conductor en contacto con parte no
metálica de un circuito. Ej semiconductor,
electrolito, vacío, gas, etc.

• Se habla de par Electrodo-Electrolito cuando
• El electrolito contiene iones del material del
  cual está construido el electrodo.

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Interfase Electrodo-Electrolito
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Potencial Semi-Celdao Half-cell potential

• Cuando el electrodo entra en contacto con el
  electrolito, comienza la reacción
• La concentración local de cationes en la
  interfase cambia, perdiéndose la neutralidad de
  carga.
• El electrolito en la región está a un potencial
  eléctrico diferente al resto
• Half-cell potential

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Potencial Semi-Celdao Half-cell potential

• Potencial determinado por la naturaleza del metal
  involucrado, la concentración de sus iones en
  solución y la temperatura.
• Los potenciales semi-celda de electrodos se miden
  respecto al del electrodo de hidrógeno definido
  igual a cero.

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Polarización

• Al circular corriente entre el electrodo y el
  electrolito, el potencial semi-celda varía
• Sobrevoltaje ohmnico (Vr) Es el resultado
  directo de la resistencia del electrolito.
• Sobrepotencial de concentración (Vc) Resulta de
  los cambios en la distribución de iones en el
  electrolito en la vecindad de la interfase
  electrodo-electrolito.
• Sobrevoltaje de activación (Va) Dada por la
  barrera que hay que vencer para que ocurra la
  oxidación o reducción. Gobierna la cinética de la
  reacción.

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Electrodospolarizables y no polarizables

• Perfectamente polarizables ninguna carga cruza
  la interfase. Se comportan como un capacitor.
• Perfectamente no polarizables la corriente pasa
  libremente a través de la interfase, sin
  requerimientos de energía para llevar a cabo la
  transición. No presentan sobrevoltajes.

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Electrodo Metal/Sal-insoluble

• Consiste en un metal en contacto con una sal
  insoluble del mismo, que a su vez está en
  contacto con una solución, que contiene el anión
  de la sal.
• Ejemplo Ag/AgCl(S)/Cl-

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Electrodo Ag/AgCl

• Electrodo práctico con características de
  electrodo no polarizable.
• Metal (Ag) cubierto con una capa delgada de un
  compuesto iónico (AgCl).
• Toda la estructura es inmersa en un electrolito
  que contiene el anión (Cl-) en concentraciones
  altas (3,5 M).

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Electrodo Ag/AgCl
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Comportamiento y modelos circuitales

• Resultados empíricos
• No lineales
• Dependientes de frecuencia
• Dependientes de densidad de carga
• Componente reactiva
• Componente resistiva ( gt bajas frecuencias)?
• Schwan(1963), Geddes(1972), Cobbold(1974),
  Ferris(1974)?

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Comportamiento y modelos circuitales

• Existe una fuente de tensión semi-celda.
• Salvo en bajas frecuencias, el modelo se aproxima
  a serie de CR.
• La C debido a la distribución de cargas en la
  interfase.
• La R debido a la resistencia del electrolito
  luego de la distribución de cargas.
• A bajas frecuencias, se observa una impedancia
  FINITA (en DC). Se agrega una resistencia en
  paralelo al C.

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Modelo equivalente eléctrico simple
Ecell es el potencial de semi-celda Rd y Cd
impedancia asociada con la interfase
electrodo-electrolito Rs resistencia debido al
electrolito y al alambre conector del electrodo.
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Respuesta en frecuencia

• En electrodos Ag/AgCl descartables, la
  impedancia típica está en el orden de 1 kW a 10
  Hz
• Al diseñar un amplificador se suele tomar en
  cuenta valores de hasta 500 kW a 10 Hz

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Interfase Electrodo-Piel

• Existe una interfase con la piel.
• Piel 3 capas
• Epidermis
• Dermis
• Capa subcutánea
• Epidermis Mayor Impedancia
• Estrato córneo (células muertas)
• Estrato granuloso
• Estrato basal (donde nacen nuevas células)
• Se elimina el Estrato córneo con limpieza adecuada

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Interfase Electrodo-Piel
La impedancia de la piel varía entre 200 kW a 1
Hz y 200 W a 1 MHz
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Tabla de impedancias de todo el conexionado
Fuente Treo, E et al - Efecto del gel y
limpieza en la impedancia electrodo-piel en
registros de superficie, Congreso Argentino de
Bio-Ingeniería, Octubre 2009
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Ruido por movimiento

• Se mueve el electrodo gt Cambia distribución de
  cargas en interfase E-E
• Cambia distrib. Cargas E-E gt Ruido alto (algunos
  mV)
• Ruido alto gt Se pierde la señal de interés
• Se pierde la señal gt Chau paciente
• Electrodos no polarizados Gel suficiente gt
  reduce significativamente el Ruido por Movimiento

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Ruido por movimiento

• Aumento de superficie de contacto
  Electrodo-Electrolito(gel)-Pielgt Disminución de
  Ruido por Movim.
• Electrodos de placa grandes
• Electrodos de succión
• Electrodos flexibles
• Electrodos percutáneos

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Tipos de electrodos
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Tipos de electrodos
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Tipos de electrodos
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Ejercicios

• Dar un modelo equivalente eléctrico del sistema
• PACIENTE-ELECTRODOS-Amp.ECGcomo el usado en la
  práctica 1.
• Habrá un efecto importante en la señal de ECG?
• Qué pasa si se desea utilizar para señales de
  EMG (50 Hz 3 kHz)?
• Suponiendo una impedancia de entrada resistiva en
  el amplificador de instrumentación. Cómo podría
  lograrse una transferencia independiente de la
  frecuencia?

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Ejercicios

• Cómo variaría la impedancia de un electrodo
  metálico a medida que se va secando el gel
  electrolítico de contacto?
• Cómo se representa en el modelo equivalente
  eléctrico?
• Cómo afecta al CMRR del sistema?
• Qué característica de los amplificadores de
  entrada minimizaría la disminución del CMRR?

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Conceptos importantes

• Necesidad de transducción de corrientes iónicas a
  electrónicas
• Principio electro-químico de interfase
  Electrodo-Electrolito
• Potencial de semi-celda. Definición de Potencial
  0 en electrodo de Hidrógeno
• Electrodos polarizables y no polarizables
• Electrodo Metal/Sal-insoluble (ej. Ag/AgCl)
• Características no lineales de la impedancia
• Modelo equivalente eléctrico simple (valores
  típicos)
• Interfase Electrodo-Electrolito-Piel
• Ruido y distorsión por movimiento
• Tipos de electrodos
• Aplicación al diseño de amplificadores de señales
  biológicas

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Referencias

• Webster, J - "Medical Instrumentation.
  Application and design", 3ra ed, JWS, 1998,
  Capítulo 5
• Treo, E et al - Efecto del gel y limpieza en la
  impedancia electrodo-piel en registros de
  superficie, Congreso Argentino de
  Bio-Ingeniería, Octubre 2009