Requisitos Básicos del Amplificador

Los requisitos básicos que un amplificador biopotencial, se rigen bajo los siguientes conceptos:

 El proceso fisiológico a monitorizar no debe ser asumido de ninguna manera por el amplificador.

 La señal medida no debe distorsionarse.

 El amplificador debe proporcionar la mejor separación posible de señal e interferencias.

 El amplificador tiene que ofrecer protección al paciente contra cualquier riesgo de descarga eléctrica.

 El propio amplificador debe estar protegido contra daños que pudieran resultar de altas tensiones de entrada, ya que ocurren durante la aplicación de desfibriladores o instrumentación electro quirúrgica.

[3] Medical Devices and Systems the Biomedical Engineering-Handbook Third Edition 2006 by Joseph D. Bronzino Cap. (52): p. 52-2.

Figura 9 Configuración Típica para la Medición de Biopotenciales.

Fuente: Medical Devices and Systems the Biomedical Engineering-Handbook Third Edition 2006 by Joseph D. Bronzino.

17 Las señales biológicas aparecen entre dos electrodos de medición, uno en el brazo derecho y otro en el brazo izquierdo del paciente y es alimentada a las entradas inversora y no inversora del amplificador diferencial.

La señal de entrada al amplificador consiste en cinco componentes, tal como apreciamos en la figura 9 y lo describimos de la siguiente manera:

(1) El biopotencial deseado. (2) Biopotenciales no deseados.

(3) Una señal de interferencia de la línea eléctrica de 60 Hz (50 Hz en algunos países) y sus armónicos.

(4) Señales de interferencia generada por el interfaz de tejido/electrodo. (5) Ruido.

El diseño adecuado del amplificador proporcionara el rechazo de una gran parte de las interferencias de la señal.

La función principal del amplificador diferencial, como se muestra en la figura 9 es rechazar la interferencia de frecuencia de línea que está acoplada electrostáticamente o magnéticamente al sujeto.

El biopotencial deseado, aparece como una tensión entre los dos terminales de entrada del amplificador diferencial y se denomina señal diferencial.

Toda señal de interferencia de frecuencia de línea, sólo muestra diferencias muy pequeñas en amplitud y fase entre los dos electrodos de medición, que van produciendo aproximadamente el mismo potencial en ambas entradas en este caso entre las entradas y la masa que se denomina señal de modo común.

El fuerte rechazo de la señal de modo común, es una de las características más importantes de un buen amplificador biopotencial. La relación de rechazo de modo común (CMRR) de un amplificador se define como la relación entre la ganancia de modo diferencial y la ganancia de modo común.

Podemos apreciar en la figura 9, el rechazo de la señal de modo común en un amplificador biopotencial, es tanto una función del amplificador CMRR como las impedancias de fuente Z1 y Z2. Ahora para el amplificador biopotencial ideal con

Z1 = Z2 y CMRR infinito del amplificador diferencial, la tensión de salida es la señal biológica pura amplificada por GD, la ganancia de modo diferencial:

Vout = GD*Vbiol. Con un CMRR finito, la señal de modo común no se rechaza completamente, añadiendo el término de interferencia GD*Vc / CMRR a la señal de salida.

18 Incluso en el caso de un amplificador diferencial ideal con CMRR infinito, la señal de modo común no desaparecerá completamente a menos que las impedancias de la fuente sean iguales. La señal de modo común Vc hace que las corrientes fluyan a través de Z1 y Z2. Las caídas de voltaje relacionadas muestran una diferencia si las impedancias de la fuente son desiguales, generando así una señal diferencial en la entrada del amplificador que, por supuesto, no es rechazada por el amplificador diferencial. Con la ganancia GD del amplificador y la impedancia de entrada Zin, la tensión de salida del Amplificador es: [3] Medical Devices and Systems the Biomedical Engineering-Handbook Third Edition 2006 by Joseph D. Bronzino Cap. (52): p. 52-2.

Ecuación 1 La salida de un amplificador biopotencial real consistirá siempre en el componente de salida deseado debido a un bioseñal diferencial, un componente no deseado debido al rechazo incompleto de señales de interferencia de modo común como una función de CMRR y un componente no deseado debido al desequilibrio de impedancia de fuente que permite una pequeña proporción de una señal de modo común que aparece como una señal diferencial para el amplificador.

Dado que los desequilibrios de impedancia de fuente de 5.000 a 10.000, causados principalmente por electrodos, no son infrecuentes, y el rechazo suficiente de interferencias de frecuencia de línea requiere un CMRR mínimo de 100 dB, la impedancia de entrada del amplificador debe ser al menos 109 a 60 Hz para evitar que la fuente desequilibrio de impedancia de deterioro del CMRR global del amplificador. Los amplificadores biopotenciales de vanguardia proporcionan un CMRR de 120 a 140 dB.

Figura 10 Diseño esquemático de las etapas principales de un amplificador biopotencial.

Fuente: Medical Devices and Systems the Biomedical Engineering-Handbook Third Edition 2006 by Joseph D. Bronzino.

19 Los tres electrodos que son colocados al paciente, ingresan a una etapa de pre amplificación. Hay de eliminar la Corriente Continua y las interferencias de baja frecuencia, para que la señal se conecte a un filtro de paso bajo de salida a través de una etapa de aislamiento que proporciona seguridad eléctrica al paciente, evita bucles de tierra y reduce la influencia de las señales de interferencia.

Con el fin de proporcionar una calidad óptima de la señal y un nivel de voltaje adecuado para el procesamiento adicional de la señal, el amplificador tiene que proporcionar una ganancia de 100 a 50.000 y necesita mantener la mejor relación señal / ruido posible. La presencia de señales de interferencia de alto nivel no sólo deteriora la calidad de las señales fisiológicas, sino que también restringe el diseño del amplificador biopotencial. Los potenciales de semiconductores de electrodos, por ejemplo, limitan el factor de ganancia de la primera etapa de amplificador, ya que su amplitud puede ser varias órdenes de magnitud mayor que la amplitud de la señal fisiológica.

Para evitar que el amplificador entre en saturación, este componente tiene que eliminarse antes de que se pueda proporcionar la ganancia requerida para la señal fisiológica. Los electrodos que proporcionan la transición entre el flujo iónico de corriente en el tejido biológico y el flujo electrónico de corriente en el amplificador, que representan un complejo sistema electroquímico.

[3] Medical Devices and Systems the Biomedical Engineering-Handbook Third Edition 2006 by Joseph D. Bronzino Cap. (52): p. 52-2.

20 CAPITULO IV

4.- Concepto y principio de funcionamiento de la Máquina de Circulación Extracorpórea para Cirugía de Tórax y Cardiovascular