UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE AGUASCALIENTES
INGENIERÍA ELECTRÓNICA ESPECIALIDAD BIOELECTRÓNICA
INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICA
Emilio Soto
8 A
Villalpando H., Rodríguez S.
I.- INTRODUCCIÓN
Debido a la proyección actual de implementar los laboratorios enfocados a biomédica, surge la necesidad de adquirir los equipos necesarios que faciliten el estudio de biopotenciales. Dentro de los equipos esenciales para el cumplimiento de tal fin se encuentran:
El Electrocardiógrafo (ECG)
El Electroencefalógrafo (EEG)
Electromiógrafo (EMG)
El Equipo de Estimulación Externa (STIM).
La adquisición de señales médicas del cuerpo humano es uno de los grandes aportes de la Electrónica a la Medicina. Esto debido a que en la actualidad los equipos electrónicos se han convertido en herramientas importantes en el diagnóstico de enfermedades, por tanto, los Ingenieros Electrónicos nos hemos preocupado por conocer a fondo el comportamiento fisiológico del ser humano para crear nuevas herramientas u optimizar los ya existentes con nuevas tecnologías.
II.- MARCO TEÓRICO
2.1 AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a
base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).
La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.
Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiograma), para minimizar el error de medida.
ESTRUCTURA
En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentación:
Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocicuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia Rg Así que por ella circulará una corriente
Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que atraviesa las resistencias R1
Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por Rg, R1 y R1 será:
Simplificando:
Que será la DIFERENCIA de tensión entre la salida inmediata de los dos A.O. 's (justo antes de las R2). Puesto que el resto
del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada (sin añadir ganancia), la cual se acaba de definir.
Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores
iguales a las resistencias.
En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentación será:
En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia Rg para poder controlar la ganancia. También
puede sustituirse la conexión a tierra por otra a una tensión dada.
2.2 Electrocardiograma (ECG)
El electrocardiograma (ECG/EKG, del alemán
Elektrokardiogramm) es el gráfico que se obtiene con el electrocardiógrafo para medir la actividad eléctrica del corazón en forma de cinta gráfica continua. Es el instrumento principal de la electrofisiología cardiaca y tiene una función relevante en el cribado y diagnóstico de las enfermedades cardiovasculares, alteraciones metabólicas y la predisposición a una muerte súbita cardiaca. El nombre
electrocardiograma está compuesto por electro que implica
la actividad eléctrica, cardio del griego corazón y grama, también del griego, que significa escritura.
El electrocardiograma tiene la ventaja de ser un
procedimiento médico con resultados disponibles
inmediatamente, no es invasiva y es económica.
Fig.2: Derivación 1 de un electrocardiograma.
HISTORIA
primera vez la máquina de Einthoven en 1911, y en 1922 se unió con una compañía en Nueva York para formar Cambridge Instruments Company, Inc. Desde entonces, ambas compañías se han beneficiado con el intercambio
mutuo de tecnología. Poco tiempo después el
electrocardiógrafo demostró su valor en el diagnóstico médico y hoy se mantiene como uno de los instrumentos electrónicos más empleados en la medicina moderna.
USOS
El ECG tiene una amplia gama de usos:
Determinar si el corazón funciona normalmente o
sufre de anomalías (p. ej.: latidos extra o saltos – arritmia cardiaca).
Indicar bloqueos coronarios arteriales (durante o después de un ataque cardíaco).
Se puede utilizar para detectar alteraciones
electrolíticas de potasio, sodio, calcio, magnesio u otros.
Permitir la detección de anormalidades conductivas
(bloqueo auriculo-ventricular, bloqueo de rama).
Mostrar la condición física de un paciente durante un test de esfuerzo.
Suministrar información sobre las condiciones
físicas del corazón (p. ej.: hipertrofia ventricular izquierda)
COLOCACION DE DERIVACIONES
El ECG se estructura en la medición del potencial eléctrico entre varios puntos corporales. Las derivaciones I, II y III se miden sobre los miembros: la I va del brazo derecho al izquierdo, la II del brazo derecho a la pierna izquierda y la III del brazo izquierdo a la pierna izquierda. A partir de esto se obtiene el punto imaginario V, localizado en el centro del pecho, por encima del corazón. Las otras nueve derivaciones provienen del potencial entre este punto y las tres derivaciones de los miembros (aVR, aVL y aVF) y las seis derivaciones precordiales (V1-6).
V1: 4º espacio intercostal derecho, línea
paraesternal derecha.
V2: 4º espacio intercostal izquierdo, línea
paraesternal izquierda
V3: equidistante de V2 y V4.
V4: 5º espacio intercostal izquierdo, línea
medioclavicular.
V5: 5º espacio intercostal izquierdo, línea anterior axilar.
V6: 5º espacio intercostal izquierdo, línea axilar media.
Fig.3: Colocación de Precordiales.
Por lo tanto, hay doce derivaciones en total. Cada una de las cuales registra información de partes concretas del corazón:
Las derivaciones inferiores (III y aVF) detectan la actividad eléctrica desde el punto superior de la región inferior (pared) del corazón. Esta es la cúspide del ventrículo izquierdo.
Las derivaciones laterales (I, II, aVL, V5 y V6) detectan la
actividad eléctrica desde el punto superior de la pared lateral del corazón, que es la pared lateral del ventrículo izquierdo.
Las derivaciones anteriores, V1 a V6 representan la pared
anterior del corazón o la pared frontal del ventrículo izquierdo.
aVR raramente se utiliza para la información diagnóstica, pero indica si los electrodos se han colocado correctamente en el paciente.
Los electrodos miden la actividad eléctrica media generada por la suma total de la capacidad cardiaca en un momento concreto. Por ejemplo, durante el sístole auricular normal, la suma de la actividad eléctrica produce un vector eléctrico que se dirige del nódulo SA (sinusal) hacia el nódulo AV (auriculoventricular) y se extiende desde el atrio derecho al izquierdo ( puesto que el nódulo SA reside en el atrio derecho). Esto se convierte en la onda P en el ECG, la cual es recta en I, II, III, AVL y aVF (ya que la actividad eléctrica general se dirige hacia esas derivaciones), e invertida en aVR (dado que se aleja de esa derivación)
ECG NORMAL
El trazado típico de un electrocardiograma registrando un latido cardíaco normal consiste en una onda P, un complejo QRS y una onda T. La pequeña onda U normalmente es invisible.
Fig.4: Dibujo de un ECG con etiquetas de ondas e intervalos. P=onda P, PR=segmento PR, QRS=complejo QRS, QT= intervalo QT, ST=segmento ST, T=onda T.
El eje eléctrico
El eje eléctrico es la dirección general del impulso eléctrico a través del corazón. Normalmente se dirige en forma de vector hacia la parte inferior izquierda, aunque se puede desviar a la parte superior izquierda en gente anciana, embarazada u obesa. Una desviación extrema es anormal e indica un bloqueo de rama, hipertrofia ventricular o (si es hacia la derecha) embolia pulmonar. También puede diagnosticar una dextrocardia o una inversión de dirección en la orientación del corazón, pero esta enfermedad es muy rara y a menudo ya ha sido diagnosticada por alguna prueba más específica, como una radiografía del tórax.
Onda P
La onda P es la señal eléctrica que corresponde a la despolarización auricular. Resulta de la superposición de la despolarización de la aurícula derecha (Parte inicial de la onda P) y de la izquierda (Final de la onda P). La repolarización de la onda P (Llamada Onda T auricular) queda eclipsada por la despolarización ventricular (Complejo QRS). Para que la onda P sea sinusal (Que provenga del Nodo Sinusal) debe reunir ciertas características:
No debe superar los 0,25 mV (mili Voltios). Si lo supera, estamos en presencia de un Agrandamiento Auricular Derecho.
Su duración no debe superar los 0,11 segundos en el adulto y 0,07-0,09 segundos en los niños. Si esta aumentado, posee un Agrandamiento Auricular Izquierdo.
Tiene que ser redondeada, de rampas suaves, simétricas y de cúspide roma.
Tiene que preceder al complejo ventricular.
Complejo QRS
El complejo QRS corresponde a la corriente eléctrica que causa la contracción de los ventrículos derecho e izquierdo (despolarización ventricular), la cual es mucho más potente que la de las aurículas y compete a más masa muscular, produciendo de este modo una mayor deflexión en el electrocardiograma.
La onda Q, cuando está presente, representa la pequeña corriente horizontal (de izquierda a derecha) del potencial de acción viajando a través del septum interventricular. Las ondas Q que son demasiado anchas y profundas no tienen un origen septal, sino que indican un infarto de miocardio.
Las ondas R y S indican contracción del miocardio. Las anormalidades en el complejo QRS pueden indicar bloqueo de rama (cuando es ancha), taquicardia de origen ventricular, hipertrofia ventricular u otras anormalidades ventriculares. Los complejos son a menudo pequeños en las pericarditis.
La duración normal es de 60 a 100 milisegundos
Onda T
dispara, despolarizan y se contraen. La recarga del muelle es la repolarización (también llamada potencial de acción).
En la mayoría de las derivaciones, la onda T es positiva. Las ondas T negativas pueden ser síntomas de enfermedad, aunque una onda T invertida es normal en V1 ( V2-3 en
personas negras).
El segmento ST conecta con el complejo QRS y la onda T. Puede estar reducido en la isquemia y elevado en el infarto de miocardio.
2.3 Electromiografía (EMG)
La electromiografía, EMG o miograma es una técnica de
diagnóstico médico consistente en un estudio
neurofisiológico de la actividad bioeléctrica muscular. Clásicamente, el mismo término EMG engloba también a la electroneurografía (el estudio de los nervios que transmiten la orden motora al aparato muscular) si bien en la actualidad se usa cada vez más en este sentido la palabra electroneuromiografía (ENMG). La técnica consiste en la aplicación de pequeños electrodos de bajo voltaje en forma de agujas en el territorio muscular que se desea estudiar, midiendo la respuesta y la conectividad entre los diferentes electrodos.
Características
La electromiografía es una prueba médica, realizada por un médico especialista neurofisiólogo, que permite el estudio del sistema nervioso periférico y muscular, y así saber si el paciente tiene alguna enfermedad a ese nivel, localización y gravedad. Por tanto, se utiliza para conocer el diagnóstico y la localización de la enfermedad, y en muchos casos la intensidad de la lesión. De esta forma, se puede orientar al médico especialista sobre el diagnóstico y tratamiento a seguir.
Para llevar a cabo la exploración es necesario dar unos pequeños estímulos en diferentes nervios del cuerpo y detectar las respuestas a los mismos, o a contracciones voluntarias del paciente, a través de un osciloscopio. Para ello es necesario introducir un electrodo (aguja) desechable de exploración, en las zonas afectadas.
El tejido muscular es eléctricamente neutro cuando está en reposo, por lo que no se detecta actividad nerviosa en el osciloscopio. Durante la contracción (voluntaria o provocada) se producen unos patrones característicos de conducción nerviosa que pueden ser detectados mediante
esta prueba. El origen del impulso nervioso detectado está en el potencial de membrana de las células musculares (entre el interior y el exterior de dichas células hay una diferencia de potencial de en torno a -70mV). Las medidas recogidas en el electromiograma pueden oscilar entre los 50 μV y los 20 o 30 mV, dependiendo del músculo a estudiar (músculos más grandes desarrollan potenciales eléctricos mayores al coordinarse las fibras musculares entre sí).
Se trata de una técnica molesta, aunque no es más dolorosa que un análisis de sangre. No se inyectan contrastes ni ningún tipo de sustancias, ni se extrae sangre.
Los riesgos son prácticamente inexistentes, excepto en los siguientes casos:
Tratamiento de impotencia galopante severa.
Tratamiento con anticoagulantes.
Hemofílicos y enfermedades de las plaquetas de la
sangre.
Enfermedades que producen una disminución de la
respuesta inmunológica (SIDA, extirpación del bazo, diabéticos, trastornos autoinmunes).
Enfermos con marcapasos.
Alergia a las aleaciones utilizadas en la fabricación de los electrodos.
Predisposición a reacciones vagales intensas con
pérdida de conocimiento.
Lesiones infecciosas activas en zona de punción
Insuficiencia venosa crónica severa (riesgo de
infección).
En estas situaciones, la prueba no está absolutamente contraindicada, aunque se han descrito, en algunos casos, complicaciones (hemorragias, infecciones, erosiones en la piel e interferencias con el marcapasos), que también son posibles, aunque muy poco frecuentes, en personas sanas.
III.- Desarrollo
De acuerdo con la teoría anteriormente revisada, se llevaron a cabo un electrocardiograma y una biometría, la cual consta de dos electromiografías simultaneas.
En primer lugar se llevo a cabo un electrocardiograma donde se colocaron tres electrodos, uno en cada muñeca, y uno más en el pie izquierdo como referencia. Las señales obtenidas se muestran a continuación:
Fig. 5
Fig. 6
En segundo lugar se realizo la biometría la cual se hizo con dos electrodos en el recto femoral, y dos en el bíceps femoral, y uno más en la cadera como referencia. Los resultados obtenidos se muestran a continuación:
Fig. 7: Flexión de la pierna
Fig. 8: Flexión y deflexión de la pierna
Fig. 9: Señales obtenidas de una breve caminata.
Fig. 10: Amplificador de instrumentación.
Las conexiones que se hicieron con los electrodos para la medición de la biometría se muestran a continuación:
Fig. 11: Electrodos en recto femoral.
Fig. 12: Electrodos en bíceps femoral.
Fig. 13: Flexión de la pierna.
Fig. 14: Extensión de la pierna