Instrumentación Medica

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UNIDAD 1. INSTRUMENTACION DIAGNOSTICA JUSTIFICACION:

Los equipos de medida y registro de bioseñales tales como electrocardiógrafos, electroencefalógrafos, electromiógrafos, tensiometros, cardiotacómetros, pulsioxímetros, termómetros, etc., se encuentran ampliamente en el ambiente hospitalario y son el soporte tecnológico para que a través de sus medidas, el especialista medico pueda emitir el diagnostico del funcionamiento de un sistema o de un órgano del cuerpo humano, para entrar a implementar un determinado tratamiento o terapia. En vista de lo anterior el ingeniero electrónico debe estar en capacidad de:

• Entender el funcionamiento de tales equipos, para poder diseñarlos y calibrarlos, como también hacerles mantenimiento preventivo, correctivo y predictivo.

• Diseñar y construir cualquier otro sistema de bioinstrumentación que le permita al medico e investigador biomédico tomar medidas significativas y exactas de variables biológicas no tradicionales para lograr el avance de la ciencia medica y por lo tanto el mejoramiento de la salud humana. OBJETIVO GENERAL:

Estudiar las técnicas de ingeniería para el diseño de sistemas y/o equipos de instrumentación electrónica que permitan adquirir, registrar, medir, analizar y hacer procesamiento análogo o digital a cualquier bioseñal procedente del cuerpo humano.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

• Utilizar amplificadores de instrumentación y filtros activos de circuitos integrados para el procesamiento análogo de las bioseñales.

• Diseñar instrumentos analogos.

• Diseñar instrumentos digitales con lógica programada.

• Aplicar los conceptos de instrumentación para hacer medición, registro, análisis y procesamiento de bioseñales procedentes del sistema cardiovascular: ECG (Electrocardiografía), FCG (Fonocardiografía), RC

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BIBLIOGRAFIA:

• Medical Instrumentation. Applications and Desing. Jhon G Webster. • Biomedical Transducer and Instruments. Tatsuo Togawa

• Biomedical Instrumentation and Measurement. Leslie Cromwell • Introduction to Biomedical Engineering. Jhon D Enderle

• Handbook Biomedical Engineering. Vol. 1. • Bioingenieria Tomo IV.Mauricio Wilches.

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CAPITULO 1. INTRODUCCION A LA INGENIERÍA BIOMÉDICA 1.1 QUE ES LA INGENIERÍA BIOMÉDICA

La Instrumentacion Medica es una disciplina propia de la Ingeniería Biomédica. Por lo tanto, es importante que el ingeniero electrónico que incursione en esta área del conocimiento, al participar en grupos de Investigación y Desarrollo de tecnologías medicas o trabaje instalando y manteniendo estos equipos, tenga una visión general de esta área tan importante del conocimiento.

Se puede entonces definir la Ingeniería Biomédica como la aplicación de las Ciencias Exactas (Física y Matemáticas) a la preservación y mejoramiento de la salud del SER HUMANO. Su propósito es contribuir al progreso de la Medicina y al mejoramiento de la salud por medio de la tecnología. Trabaja en estrecho contacto con la profesión médica y al mismo nivel jerárquico. La figura 1 muestra algunas tecnologías médicas utilizadas en el área de cirugía.

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1.2 HITOS MODERNOS EN DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS MEDICAS A continuación se mostrará cronológicamente los principales desarrollos de tecnologías biomédicas:

1895: W.K. Roentgen descubre los Rayos X (RX). Inicialmente los RX se usaron para diagnosticar fracturas y dislocaciones de huesos. Para 1930 con RX se podían visualizar prácticamente todos los órganos del cuerpo gracias al uso de sales de bario y a una gran cantidad de materiales radiopacos o de contraste. 1903: W. Einthoven, desarrolló el primer electrocardiógrafo para medir la actividad eléctrica del corazón. Aplicando descubrimientos hechos en las ciencias aplicadas (química, física, ingeniería, fisiología, microbilogía, farmacología, etc) al análisis de procesos biológicos, se inició una nueva era en las técnicas de medicina cardiovascular y mediciones eléctricas. La figura 2, muestra una estampilla alusiva al centenario del inicio de la electrocardiografía.

Figura 2. Estampilla del centenario de la ECG

1927: Se introduce el primer respirador artificial en procedimientos quirúrgicos. 1939: Se desarrolló el primer bypass corazón -pulmón.

1935-1939: Se desarrolló la sulfanilamida y la penicilina disminuyéndose el principal peligro de la hospitalización en la época: infecciones.

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1940: Los procedimientos médicos de alto riesgo dependen mucho más de la tecnología médica. Se desarrolló la cateterización cardiaca y la angiografía, que consiste en la introducción de una cánula a través de la vena de un brazo hasta llegar al corazón inyectando un tinte radiopaco para la visualización del pulmón y los vasos y válvulas del corazón. La figura 3 muestra el equipo para efectuar cateterismo cardiaco.

Figura 3. Tecnología para efectuar cateterismo cardiaco (www.cmcv.com)

1945 adelante: Después de la II Guerra Mundial. Los avances tecnológicos fueron impulsados por la investigación en el campo militar y el objetivo de establecer habitats en el espacio y en el suelo oceánico. Como un producto de esos esfuerzos, la profesión médica se benefició pues se han estado desarrollando todos los días nuevos dispositivos, equipos y sistemas puestos al servicio de la salud. La figura 4 muestra diferentes tecnologías electrónicas aplicadas al campo medico.

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Figura 4. Tecnologías electrónicas de aplicación médica (Union Medical. USA)

Los avances en la electrónica de estado sólido, han hecho posible estudiar el comportamiento de la neurona, la unidad central del sistema nervioso, así como monitorear parámetros fisiológicos, como el ECG, de pacientes en la unidad de cuidados intensivos.

Nuevos desarrollos de prótesis se ha convertido en la meta de los ingenieros biomédicos para mejorar la calidad de vida del hombre.

La Medicina Nuclear una consecuencia de la era atómica, surge como una poderosa solución en la detección y tratamiento de anormalidades fisiológicas tales como el cáncer.

El diagnostico de ultrasonido basado en la tecnología del sonar, se ha vuelto tan aceptado ampliamente que los estudios de ultrasonido son ahora parte de la rutina de diagnóstico de muchas de las especialidades médicas.

Las “partes de repuesto” para cirugía se han vuelto muy comunes. Por ejemplo, dispositivos de asistencia cardiaca, como el corazón artificial, válvulas y vasos

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sanguíneos artificiales están disponibles para reemplazar a corazones humanos enfermos.

Los adelantos en nuevos materiales han permitido el desarrollo de dispositivos médicos, como agujas, termómetros, así como los sistemas implantables de suministro de drogas.

Las computadoras, se emplean para almacenar, procesar y chequear registros médicos, para monitorear el estado del paciente en la unidad de cuidados intensivos y para entregar estadísticas sofisticadas de diagnóstico de enfermedades potenciales correlacionándolas con juegos específicos de síntomas en pacientes.

Al desarrollarse las aplicaciones médicas del computador, se llegó a la escanografía de Tomografía Computada (TC), que revolucionó los procedimientos de diagnostico no invasivo mediante imágenes médicas, que incluyen ahora las Imágenes de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) y la Tomografía por Emisión de Positrones. La figura 5 muestra un equipo de tomografía computada.

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1.3 OPORTUNIDADES DE INVESTIGACION Y DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS BIOMÉDICAS

Se presenta a continuación diferentes áreas de investigación y desarrollo de tecnologías biomédicas, en donde el ingeniero electrónico desarrolla un papel importante al formar parte de los equipos multidisciplinarios que se conforman para tal fin.

1.3.1 INSTRUMENTACION DE MEDIDA

Es la encargada de medir, registrar y almacenar cualquier variable fisiológica de origen mecánico, hidráulico, neumático, térmico, eléctrico empleando la más depurada técnica de tratamiento de señales por procedimientos analógicos digitales (A/D). El monitor de signos vitales es el equipo más representativo dentro del campo de la instrumentacion de medida. La figura 6, muestra un monitor de signos vitales de última generación.

Figura 6. Monitor de signos vitales (www.ultramedica.com.co)

1.3.2 INSTRUMENTACION DIAGNOSTICA

Clasificación automática de electrocardiogramas y electroencefalogramas. El computador se emplea como un sistema que procesa las señales, las clasifica y en base a pautas preseleccionadas es capaz de suministrar un primer

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diagnóstico, que el especialista analizará adecuadamente. La figura 7 muestra un sistema de electrocardiografía automatizada.

Figura 7. Sistema de electrocardiografia automatizada (www.dremed.com)

1.3.3 INSTRUMENTACION TERAPÉUTICA

Es el campo de aplicación donde más se requiere la cooperación médico-ingeniero. El médico posee la idea del porqué, mientras que el ingeniero puede aportar la solución al problema. Los desarrollos van desde el tratamiento de dolores incurables mediante estimulación eléctrica y de ultrasonido, hasta las técnicas de electrocirugía, desfibrilación, láserterapia y litotricia. La figura 8 muestra un bisturí electrónico.

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1.3.4 INSTRUMENTACION DE IMAGENES MEDICAS

Tecnologías de punta en equipos de diagnóstico no invasivo de imágenes médicas, como Tomografía Computada (TC), por Emisión de Positrones (PET) y por emisión de Fotones (SPECT), Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Ecografía. La figura 9 muestra un equipo portátil de ecografía.

Figura 9. Equipo portátil de ecografía (www.sonosite.com)

1.3.5 INSTRUMENTACION PARA AYUDAS FUNCIONALES

Denominada también Ingeniería de Rehabilitación, consiste en todos los desarrollos que contribuyen a suplir una función defectuosa del organismo. Desde prótesis controladas por la actividad eléctrica de los músculos hasta prótesis visuales implantadas en el cerebro, que permiten la percepción de puntos de luz y sombras para los invidentes. Esta disciplina especializada recibe el nombre de Robótica Médica. La figura 10 muestra a un discapacitado por amputacion de sus brazos con prótesis mioeléctricas de brazo.

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Figura 10. Prótesis mioeléctricas de brazos (http://weblog.mendoza.edu.ar/robotica)

1.3.6 TELEMEDICINA

Es el empleo de las telecomunicaciones y de la informática (Telemática) para el diagnóstico, tratamiento y la atención médica de los pacientes. Implica el uso de la tecnología de las comunicaciones como un medio para llevar servicios médicos a lugares remotos. La figura 11 muestra la infraestructura necesaria para desarrollar telecirugías.

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Figura 11. Sistema de telecirugía de última generación (www.nextgenmd.org)

1.4 LA INGENIERÍA DEL CUERPO HUMANO

Los médicos inician el estudio del cuerpo humano desde la anatomía (estudio de la estructura o las partes que lo componen), la fisiología (estudio de cómo funciona cada una de las partes) y la patología (conocimiento de las enfermedades y como afectan a cada una de las partes). En el caso de los ingenieros, es importante tener un buen conocimiento de estas materias para entrar a desarrollar tecnología para la salud.

Es necesario mencionar que el cuerpo humano esta conformado por sistemas (por ejemplo, el sistema cardiovascular), que a su vez los componen órganos (por ejemplo, el corazón), que están compuestos de tejidos (por ejemplo, tejido muscular) y que los componen células (por ejemplo, neuronas, células nerviosas).

Se presenta a continuación un esbozo muy general de cuales son los sistemas que componen el cuerpo humano y como están interrelacionados desde la óptica de la ingeniería. La figura 12, muestra el diagrama de bloques del cuerpo humano.

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Figura 12. Diagrama de bloques del cuerpo humano

1.4.1 RELACION SISTEMA CARDIOVASCULAR - TEJIDOS

A través del intercambiador I1 (capilares sistémicos), el SCV suministra O2 y nutrientes a los tejidos y estos le entregan CO2 y otros productos de desecho. La figura 13 muestra el la anatomía del corazón.

SISTEMA CARDIOVASCULAR SCV SISTEMA CARDIOVASCULAR SCV SISTEMA RENAL SRN SISTEMA RENAL SRN SISTEMA GASTROINTESTINAL SGI SISTEMA GASTROINTESTINAL SGI TEJIDOS TEJIDOS SISTEMA RESPIRATORIO SRO SISTEMA RESPIRATORIO SRO SISTEMA NERVIOSO SNC SISTEMA NERVIOSO SNC SISTEMA ENDOCRINO SEN SISTEMA ENDOCRINO SEN SISTEMA LOCOMOTOR SLM SISTEMA LOCOMOTOR SLM SISTEMA REPRODUCTOR SRP SISTEMA REPRODUCTOR SRP INGESTA INGESTA EXCRECION

EXCRECION _EXCRECION_EXCRECION

VENTILACION VENTILACION SALIDAS SALIDAS I1 I1 I2 I2 I3 I3 I4I4 COORDINACION E INTEGRACION COORDINACION E INTEGRACION

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La figura 14, muestra el sistema cardiovascular. Las arterias están coloreadas en rojo y las venas en azul.

Figura 14. Sistema cardiovascular (www.educa.aragob.es)

1.4.2 RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL RESPIRATORIO

El SCV, elimina el exceso de CO2 a través del intercambiador I2 (capilares pulmonares) y a través de I2 se recarga de O2. La figura 15 muestra la anatomía de los pulmones.

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Figura 15. Anatomia del pulmon (www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish)

La figura 16, muestra la anatomia del sistema respiratorio.

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1.4.3 RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL GASTROINTESTINAL

La sangre del SCV, se abastece de nutrientes y elimina desperdicios como la bilirrubina a través del intercambiador I3 (capilares mesentéricos), que lo relacionan con el SGI, el cual posee una entrada (ingesta) y una salida (excreción). El hígado forma parte de I3. La figura 17, muestra la anatomia del sistema gastrointestinal.

Figura 17. Anatomía del sistema gastrointestinal (www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish)

1.4.3 RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL RENAL La sangre del SCV pasa por el intercambiador I4, compleja estructura del sistema renal (SRN), donde se regula la relación ácido-base, de regulación osmolar, de retención de ciertas sustancias y de excreción de otras. La figura 18, muestra la anatomía del riñón.

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Figura 18. Anatomia del rinon (www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish)

1.4.5 RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL DE COORDINACION E INTEGRACION (SISTEMA DE CONTROL)

Todos los sistemas del cuerpo son controlados en su funcionamiento por el sistema nervioso central (SNC) y por el sistema endocrino (SEN), que reciben y procesan toda la información enviada por las distintas partes para generar señales eléctricas (EEG) u hormonales que efectúan control (adrenalina) y regulación (insulina). La figura 19, muestra la anatomía del sistema nervioso.

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La figura 20, muestra la anatomia del sistema endocrino (glandular).

Figura 20. Anatomia del sistema endocrino (www.educa.aragob.es)

1.4.6 SISTEMA REPRODUCTOR

El sistema reproductor (SRP) cumple la función del mantenimiento de la especie, secundaria con respecto al mantenimiento del organismo.

1.4.7 SISTEMA LOCOMOTOR

El sistema locomotor (SLM), fundamental en las funciones de búsqueda de alimento, de pareja, huida y defensa.

1.4.7 FUNCIÓN PRINCIPAL DE LA MAQUINA HUMANA

Mantener vivos los tejidos, por medio de suministrarles O2, nutrientes, como también disponer los desechos sólidos, líquidos y gaseosos.

1.4.8. NIVELES DE LA ORGANIZACIÓN ESTRUCTUAL DEL CUERPO HUMANO

La figura 21, muestra los niveles de organización estructural del cuerpo humano, comenzando desde el nivel químico (átomos) hasta finalizar en el nivel orgánico

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como tal, es decir, el cuerpo humano, visto como una compleja maquina biológica.

Figura 21. Niveles estructurales del cuerpo humano (www.saludmed.com/AnaFisio/OrgCuerp/OrgCuNiv.html)

Como se ha visto brevemente, el cuerpo humano está diseñado con elementos de ingeniería avanzada. ¿Quién es el Gran Bioingeniero?, ¿Con que propósito nos creó?, ¿Cuidamos y valoramos nuestro cuerpo?

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2. PRINCIPIOS DE BIOINSTRUMENTACIÓN

Se denomina bioinstrumentación a la rama de la ingeniería electrónica que se dedica a medir y registrar señales de origen biológico.

Cuando se diseñan sistemas de instrumentación biomédica se aplican los mismos principios y limitaciones de la instrumentación industrial. Adicionalmente, se debe tener en cuenta la anatomía y la fisiología del cuerpo humano.

Así mismo, la seguridad para el paciente y el operador del equipo es el parámetro más importante a tener en cuenta, aun más que su propio funcionamiento, para ello la COMISION ELECTROTÉCNICA INTERNACIONAL (IEC), es quien regula a nivel internacional las normas que deben cumplir todos los equipos biomédicos. (Normas IEC 601.1 - 601.2)

2.1 OBJETIVOS DE LA BIOINSTRUMENTACIÓN DIAGNOSTICA

Ayudar al médico y al investigador a idear formas de obtener medidas de bioseñales provenientes del ser humano vivo que sean confiables y significativas. Confiables en el sentido que la medida sea lo mas exacta posible. Por ejemplo la temperatura corporal externa, medida debajo de la axila, se considera normal cuando su nivel es de 37.5 °C. Un aumento de un grado en la temperatura se diagnostica como fiebre y en el caso de un neonato (recién nacido) esta es una condición critica, por lo tanto, si el termómetro clínico digital presenta un error de exactitud de – 1.0 °C una temperatura de 38.5 °C la mostraría como normal, cuando en realidad el bebé se encuentra es estado febril. Así mismo, las medidas deben ser significativas, para que aporten información importante al especialista medico. Por ejemplo, diseñar un sistema de bioinstrumentación para medir la permitividad eléctrica de las uñas no tiene mayor relevancia clínica.

2.2 CONDICIONES EN LA TOMA DE MEDICIONES FISIOLOGICAS

Al tomar medidas de parámetros importantes del cuerpo humano, se deben tener en cuenta las siguientes condiciones:

• No poner en peligro la vida del paciente: ya que se perdería la razón de ser de la bioinstrumentación, contribuir al mejoramiento de la salud.

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• No someter al individuo a extremo dolor e incomodidad: Este es un principio de naturaleza bioética, por lo tanto, muchas técnicas de la instrumentación industrial no se pueden aplicar a las personas.

Por las razones expuestas anteriormente, la mayoría de la medicina diagnostica ha dejado de ser invasiva, no solo para disminuir las molestias causadas al paciente, sino para conseguir mayores niveles de precisión que garanticen la certeza del diagnostico. La figura 22 muestra a un medico tomando la presión arterial no invasiva con el método tradicional de auscultación (método manual)

Figura 22. Medición manual de la presión arterial

La figura 23, muestra un monitor de presión arterial automático, en donde la intervención del medico en la medida es mínimo (solo colocar el brazalete).

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2.3 DIFICULTADES EN LA TOMA DE MEDICIONES FISIOLOGICAS

El cuerpo humano presenta una considerable variabilidad en la medida de sus parámetros importantes debido a su gran complejidad y elevado grado de interacción entre los sistemas que lo componen. A continuación se presentan las mayores dificultades encontradas al tomar medidas fisiológicas:

• Las relaciones entrada/salida no son deterministicas. Existe una relación deterministica siempre que un mismo valor de entrada produce siempre el mismo valor de salida. Por ejemplo, en un sistema físico, como un amplificador con ganancia 10, siempre que la señal de entrada sea de 100 mV, la salida será de 1 V. Esto no sucede con un paciente, mantenido en condiciones ambientales constantes al cual se le toma la presión arterial en 10 instantes diferentes, separados entre ellos en 10 minutos pues las mediciones serán diferentes en todos los casos. Entonces se requiere aplicar técnicas bioestadísticas para determinar la presión arterial.

• Muchas variables fisiológicas importantes no son de fácil acceso a los instrumentos de medida. Por ejemplo medir el gasto cardiaco, definido como la cantidad de sangre que bombea el corazón hacia la arteria aorta cada minuto (lts/min), requiere de una medición invasiva mediante la introducción de un catéter en cuya punta se ubica un sensor para tal fin, lo cual implica un procedimiento de riesgo.

• El elevado grado de interacción entre las variables, debido a que todos los sistemas del cuerpo se encuentran interrelacionados, hace prácticamente imposible mantener constante una variable mientras se mide la relación entre otras dos. Por ejemplo tratar de medir la presión arterial manteniendo el consumo de O2 en cero durante una hora, es imposible de llevarse a cabo, debido a que el paciente moriría.

• Algunas veces es difícil identificar quienes son las variables de salida y quienes las de entrada, debido a la presencia de uno o más lazos de realimentación.

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• El instrumento de medida afecta las medidas hasta el punto que no se puede representar fielmente las condiciones normales, principalmente en mediciones invasivas.

2.4 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN BIOINSTRUMENTO ANALOGO 2.4.1 BIOINSTRUMENTO ANALOGO

Se considera que un bioinstrumento es análogo, cuando presenta la medida empleando un voltímetro o amperímetro DC, debidamente calibrado en las unidades de la bioseñal bajo estudio. La figura 23 muestra el diagrama de bloques de este tipo de tecnología biomédica.

Figura 23. Diagrama de bloques de un bioinstrumento analogo

A continuación se describirá la función de cada uno de los componentes del bioinstrumento:

• X(t): bioseñal a medir y registrar.

• Sensor: dispositivo que convierte un tipo de energía en otra. Presión (mmHg) en diferencia de potencial (mV). En instrumentación electrónica la salida es una señal eléctrica (v,i,R,C,L)

• Adecuador de Señal: Es necesario únicamente cuando la salida del sensor es el cambio en su R, C o L. Convierte estos cambios en diferencia de potencial proporcional.

• Amplificador de Instrumentación: es un circuito integrado especializado en amplificar señales diferenciales y con unas características técnicas para rechazar el ruido de tipo eléctrico.

• Filtrado Activo: se utiliza para seleccionar un determinado espectro de frecuencia de la señal y para eliminar ruidos de 60/120 Hz.

• Procesamiento Análogo Adicional: Tal como derivar, para obtener la rapidez de cambio con respecto al tiempo, o integrar la señal, para obtener otra señal a partir de la original, por ejemplo a partir de la variación de un desplazamiento obtener la velocidad o viceversa.

SENSOR / ADECUA DOR DE SENAL SENSOR / ADECUA DOR DE SENAL AMPLIFICA-DOR DE INSTRUMEN TACION AMPLIFICA-DOR DE INSTRUMEN TACION FILTRADO ACTIVO FILTRADO

ACTIVO INDICADOR ANALOGO

INDICADOR ANALOGO PROCESA-MIENTO ANALOGO ADICIONAL PROCESA-MIENTO ANALOGO ADICIONAL X(t) X(t) Y(t) Y(t)

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• Indicador Análogo: Convierte la información electrónica en algo inteligible para el ser humano, que pueda ser percibido por uno de sus sentidos (vista u oído). Por ejemplo si se esta midiendo temperatura la diferencia de potencial a la entrada del indicador análogo se convierte en una lectura en ºC presentada por medio de un voltímetro de aguja. Si se estudian señales de fonocardiografía, la salida debe ser audible a través de parlantes o auriculares.

La figura 24 muestra un modelo comercial de un termómetro análogo, cuyo diagrama de bloques se acaba de explicar.

Figura 24. Termómetro Análogo (www.autosale.es)

2.4.2 BIOINSTRUMENTO DIGITAL CON LOGICA CABLEADA

Se considera que un bioinstrumento es digital con lógica cableada cuando no utiliza microcontroladores, ni microprocesadores, que son circuitos integrados programables y se presenta la información en un display de siete segmentos o en una pantalla de cristal liquido (LCD). La figura 25 muestra el diagrama de bloques de este tipo de bioinstrumentos electrónicos.

Figura 25. Diagrama de bloques de un bioinstrumento digital con lógica cableada

• Y(t): Señal análoga eléctrica debidamente tratada y que es proporcional a la señal a medir X(t). (Véase la ubicación de Y(t) en la figura 23)

CAD CAD DECODIFI-CADOR DECODIFI-CADOR DRIVER DE DISPLAY DRIVER DE DISPLAY INDICADOR DIGITAL INDICADOR DIGITAL

Y(t)

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• CAD: Convertidor Análogo/Digital. Convierte la información análoga a formato binario codificado, por ejemplo BCD.

• Decodificador: Convierte la información binaria a formato decimal, fácil de entender para el ser humano, por ejemplo decodificador BCD.

• Driver de Display: Amplifica la corriente a la salida del decodificador para manejar display de 7 segmentos LEDs o pantallas LCD. Algunas veces viene incluido en el CI del decodificador.

• Indicador Digital: Display a 7 segmentos o pantallas LCD.

La figura 26 muestra el plano del modulo digital de un instrumento electrónico, basado en el CAD CA3162E y el decodificador/driver CA3161E.

Figura 26. Modulo digital de un instrumento (www.intersil.com)

Este tipo de bioinstrumento solo se limita a presentar la lectura correspondiente a los valores de la señal que se encuentra bajo estudio. La figura 27 muestra un modelo comercial de termómetro digital básico.

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Figura 27. Termómetro electrónico digital lógica cableada (www.icespedes.com)

2.4.3 BIOINSTRUMENTO DIGITAL CON LOGICA PROGRAMADA

Se considera que un bioinstrumento es digital con lógica programada cuando utiliza microcontroladores o microprocesadores, que son circuitos integrados programables y se presenta la información en un display de siete segmentos o en una pantalla de cristal liquido (LCD). Este tipo de instrumentos es mas “inteligente” que el anterior, pues mediante la programación del microcontrolador el instrumento puede avisar cuando la señal ha sobrepasado un limite superior o cuando ha disminuido por debajo de un limite inferior. Por ejemplo en el caso de termómetros clínicos, cuando la temperatura aumenta un grado centígrado por encima de 37.5 °C, suena una alarma que indica fiebre y cuando disminuye un grado por debajo de lo normal, suena una alarma indicando hipotermia. La figura 28 muestra el diagrama de bloques de este tipo de bioinstrumentos electrónicos.

Figura 28. Diagrama de bloques de un bioisntrumento digital con lógica programada CAD CAD

Y(t)

MICROCON-TROLADOR MICROCON-TROLADOR INDICADOR DIGITAL INDICADOR DIGITAL

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• CAD: Convertidor Análogo/Digital. Convierte la información análoga a formato binario codificado, por ejemplo BCD. En la mayoría de los casos este modulo esta incluido dentro del microcontrolador

• Microcontrolador: Circuito Integrado programable que contiene CPU, RAM, ROM, ALU, etc. Es un computador en un chip. Permite no solo presentar la información, sino que mediante programación puede suministrar información adicional sobre el estado de la bioseñal.

La figura 29 muestra el modelo de un termómetro clínico comercial.

Figura 29. Termómetro clínico con microcontrolador (www.pacienteplus.com)

La figura 30, muestra el diagrama de bloques de un monitor de signos vitales, empleado para medir presión arterial, temperatura, registrar la señal electrocardiográfica y a partir de esta medir el ritmo cardiaco.

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Observe como se amplifica (amplificadores de instrumentacion) cada una de las señales, se filtran y entran a un Multiplexor análogo (MUX) controlado desde la CPU, para luego hacer la conversión A/D que digitaliza las señales y entran al microprocesador (CPU) o al Procesador Digital de Señales (DSP) en donde se efectúan cálculos y mediciones de las mismas para luego presentar las medidas respectivas y su variación en el tiempo en el display de cristal liquido (LCD). 2.4.4 BIOINSTRUMENTO VIRTUAL

Instrumentacion virtual se refiere al uso del computador para efectuar adquisición, análisis y presentación de datos provenientes de señales. El instrumento virtual también involucra la interfaz hombre-máquina, las funciones de análisis y procesamiento de señales, las rutinas de almacenamiento de datos y la comunicación con otros equipos. Se denomina virtual, ya que el computador en si mismo no es un bioinstrumento como lo es el monitor de signos vitales, sino que se puede utilizar para cumplir las mismas funciones. En este caso, el usuario mismo es quién, a través del software, define su funcionalidad y "apariencia" y por ello se dice que "virtualizamos" el instrumento, ya que su funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y no por el fabricante. El instrumento virtual es definido entonces como una capa de software y hardware que se le agrega a un PC en tal forma que permite a los usuarios interactuar con la computadora como si estuviesen utilizando su propio instrumento electrónico "hecho a la medida". En el instrumento virtual, el software es la clave del sistema, a diferencia del instrumento tradicional, donde la clave es el hardware. Con el sistema indicado anteriormente, se puede construir un electrocardiógrafo "personalizado", con la interfaz gráfica que se desee, agregándole inclusive más funcionalidad. Sin embargo, este mismo sistema puede también ser utilizado en la medición de los signos vitales, construyéndose así un monitor de signos vitales virtual. Es allí donde radica uno de los principales beneficios del instrumento virtual, su flexibilidad. Este instrumento virtual no sólo permite visualizar las señales, sino que a la vez permite graficar su espectro de potencia en forma simultánea, algo que no se puede hacer con un instrumento convencional.

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Los tres componentes principales de un bioinstrumento son, la tarjeta de adquisición de datos, el computador mismo y el software. La figura 31 muestra el diagrama de bloques de un bioinstrumento virtual.

Figura 31. Diagrama de bloques de un bioinstrumento virtual

• TAD: Tarjeta de adquisición de Datos. Se encarga de digitalizar las bioseñales y convertirlas al protocolo que maneja el puerto de comunicación al cual se ha conectado (RS232, USB, ETHERNET)

• Computador: Se desempeña como instrumento virtual.

• Software: Programa informático encargado de la adquisición, registro, análisis y procesamiento de las bioseñales.

La figura 32 muestra un electrocardiograma tomado con el popular sistema de instrumentacion virtual Labview.

TAD TAD

Y(t)

COMPUTADOR COMPUTADOR SOFTWARE SOFTWARE

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3. SEÑALES BIOMÉDICAS

3.1 DEFINICION DE SEÑAL BIOMÉDICA

Una señal es una cantidad que varia en el tiempo y por lo tanto contiene información. En el cuerpo humano cada sistema genera una cantidad de señales que informan sobre el estado del mismo, normal o enfermo. Una enfermedad o defecto en un sistema causa una alteración y por lo tanto genera señales que son diferentes a las señales en estado normal. Para ilustrar, tenemos las señales ElectroCardioGráficas (ECG), que suministran información sobre el estado del sistema eléctrico del corazón. Por ejemplo, la figura 33 muestra la señal de electrocardiografía (ECG) de un paciente sano y la de la figura 34 muestra la de un paciente enfermo con taquicardia supraventricular (aumento de los latidos cardiacos por minuto).

Figura 33. Señal ECG paciente sano

Figura 34. Señal ECG paciente enfermo de taquicardia supraventicular

Comparando la segunda señal con respecto a la primera se puede observar que los picos máximos (correspondientes al latido) se presentan con mayor frecuencia y que la pequeña onda que precede a la onda de mayor amplitud no esta presente. El cardiólogo esta entrenado para percibir estas diferencias con respecto a la señal ECG normal y con base a ello emite su diagnostico.

Como las señales provenientes del cuerpo humano son de origen biológico reciben el nombre de bioseñales.

Estas diferencias en la forma de las señales, se refleja en el dominio de la frecuencia al aplicar la Transformada Rápida de Fourier (FFT) para determinar su contenido espectral. Las figuras 35 y 36 muestran el espectro de frecuencias del ECG correspondientes a las señales de la figura 33 y 34 respectivamente.

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Obsérvese como el espectro de frecuencia de la señal ECG normal tiene un mayor contenido de armónicos que la de señal correspondiente a la taquicardia supraventricular.

Figura 35. Espectro de frecuencia de la señal ECG paciente sano

Figura 36. Espectro de frecuencia de la señal ECG paciente enfermo de taquicardia supraventicular

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3.2 TIPOS DE SEÑALES BIOMEDICAS

A continuación se mostrará de forma breve los tipos de bioseñales más importantes del cuerpo humano y los equipos electrónicos empleados en su medición y registro.

3.2.1 SEÑALES DE BIOIMPEDANCIA

La impedancia eléctrica de los tejidos, Z(t), contiene información importante sobre su composición, volumen y distribución sanguínea, actividad endocrina, actividad del sistema nervioso y mas. Se aplica al cuerpo una fuente de corriente alterna con una frecuencia en el rango de 200 Khz. a 1 Mhz, con el propósito de evitar la estimulación del sistema neuromuscular. Las amplitudes de estas corrientes sinusoidales van desde 20 µA a 20 mA, para lograr bajas densidades de corriente y evitar el recalentamiento de los tejidos, lo que cambiaría el valor de la impedancia de los mismos, ya que en condiciones normales los tejidos se encuentran a una temperatura de 37.5 °C.

Se utilizan 4 electrodos, dos conectan la fuente de corriente AC (no de voltaje) e inyectan esta al tejido bajo estudio y los restantes se ubican sobre el tejido en investigación y se utilizan para medir la caída de tensión generada por la corriente y la Z(t) del tejido. La figura 37, muestra la aplicación de los electrodos en la técnica de bioimpedanciometría.

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La figura 38, muestra la grafica de la Z(t) torácica, la variación de la misma con respecto al tiempo dZ(t)/dt y su correlación con la señal de ECG y la de fonocardiografía (PCG).

Figura 38. Señal de bioimpedanciometría torácica Z(t) (http://butler.cc.tut.fi)

Una de las aplicaciones de la técnica de bioimpedanciometría es la de medir el porcentaje de grasa corporal de un paciente, con el propósito de análisis

nutricional y de obesidad. La figura 39, muestra un medidor digital de grasa corporal comercial.

Figura 39. Medidor de Grasa Corporal (www.omrom.com)

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3.2.2 SEÑALES BIOACUSTICAS

Muchos fenómenos biomédicos generan señales acústicas. La medición y registro de estas suministran información acerca del fenómeno que lo produce. Por ejemplo, el flujo de sangre en el corazón o a través de las válvulas cardiacas genera sonidos típicos, cuya técnica de estudio se denomina FonoCardioGrafía (FCG). El flujo de aire a través de las vías aéreas superiores e inferiores también produce ruidos acústicos, sonidos como la tos, ronquidos y sonidos pulmonares se utilizan extensamente en medicina. La contracción muscular también produce sonidos (Fonomiografía).

Ahora bien, como la energía acústica se propaga a través del medio biológico, la señal bioacústica se puede adquirir en la superficie del cuerpo utilizando transductores acústicos (micrófonos). La figura 40, muestra en la parte inferior, la señal acústica producida por la actividad del corazón correlacionada con la señal ECG, el volumen ventricular y la presión arterial. Se muestran tres sonidos, denominados S1, S2 y S3 respectivamente, producidos durante un ciclo cardiaco.

Figura 40. Señal FCG (www.upload.wikimedia.org)

La figura 41, muestra un sistema de instrumentacion virtual, para medir, registrar y analizar las señales de FCG.

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Figura 41. Instrumentacion virtual para adquisición y registro de FCG (www.thehealthcarenet.com)

3.2.3 SEÑALES BIOMAGNETICAS

Varios órganos, como el cerebro, el corazón y los pulmones generan campos magnéticos extremadamente débiles. La medición y registro de tales campos suministra información no incluida en otras bioseñales. Por ejemplo la técnica para medir los campos magnéticos producidos por el corazón se denomina MagnetoCardioGrafía (MCG), la de los músculos se denomina MagnetoMioGrafía (MMG) y la del cerebro MagnetoEncefaloGrafía (MEG).

Debido al bajo nivel de los campos biomagnéticos se deben tomar precauciones extremas en el sistema de instrumentación empleado para medir estas

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La figura 42, muestra los espectros de frecuencia de las señales MCG, MMG y MEG en comparación con otros campos magnéticos.

Figura 42. Señales Biomagnéticas del cuerpo humano (http://butler.cc.tut.fi)

El electromagnetismo, se basa en el principio de que toda corriente eléctrica que circula por un conductor produce un campo magnético, cuya intensidad es proporcional a la intensidad de la corriente. En la figura 43, se muestra como las corrientes iónicas que producen el campo eléctrico de la actividad cardiaca (ECG Lead II), es la fuente del campo magnético cardiaco, que induce un potencial eléctrico en el transductor, que en este caso es una bobina.

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Figura 43. Origen de los campos magnéticos del corazón (http://butler.cc.tut.fi)

La figura 44, muestra un equipo para adquirir las señales biomagnéticas producidas por la actividad cerebral (MEG).

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3.2.4 SEÑALES BIOMECANICAS

Incluyen todas aquellas señales que se originan de una función mecánica del cuerpo humano. Algunas de estas señales son el desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, presión, flujo. El fenómeno mecánico, no se propaga, como si lo hacen los campos magnéticos, los eléctricos y las ondas acústicas. Por lo general, la medición se hace en el sitio exacto donde se origina la señal biomecánica. La figura 45 muestra la medición de la presión arterial aortica de forma no invasiva mediante el clásico brazalete. El examen de la presión arterial se usa para medir la fuerza con la que la sangre está siendo bombeada por el corazón a través de las arterias y la fuerza de éstas a medida que resisten el flujo sanguíneo.

Figura 45. Medición de la presión arterial (http://healthlibrary.epnet.com)

La figura 46, muestra la señal de presión ventricular, medida mediante método invasivo.

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Figura 46. Señal de la presión sanguínea ventricular (www.bme.gatech.edu)

La figura 47, muestra un modelo comercial empleado para medir la presión arterial de forma no invasiva

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3.2.5 SEÑALES BIOQUIMICAS

Son el resultado de mediciones químicas de los tejidos vivos o de muestras analizadas en el laboratorio químico. Por ejemplo, la medición de concentración de iones dentro y fuera de la célula, por medio de electrodos específicos para cada ion, como también la presión parcial de oxígeno (pO2) y de dióxido de carbono (pCO2) en la sangre o en el sistema respiratorio.

La figura 48, muestra un modelo comercial de un glucómetro, que es un instrumento para efectuar el examen de glicemia que consiste en medir la concentración de azúcar en la sangre, para el control de la diabetes.

Figura 48. Glucometro (www.sanborns.com.mx)

3.3.6 SEÑALES BIOOPTICAS

Son el resultado de funciones ópticas de los sistemas biológicos que ocurren naturalmente o inducidas para medición. La oxigenación sanguínea puede estimarse midiendo la luz transmitida y reflejada por los tejidos a distintas longitudes de onda. Puede obtenerse información importante acerca del feto midiendo la fluorescencia del líquido amniótico. El desarrollo de la tecnología de la fibra óptica ha ampliado el espectro de medición de estas señales.

La figura 49, muestra un modelo comercial para medir el porcentaje de glóbulos rojos en las arterias que están transportando oxigeno, a esta variable se le denomina saturación de oxigeno (SpO2) y el equipo se denomina oxímetro de pulso.

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Figura 49. Oxímetro de pulso digital (www.burtons.uk.com)

3.2.7 SEÑALES BIOELECTRICAS

Su fuente son los potenciales de transmembrana celular, el cual ante ciertas condiciones puede variar para generar un potencial de acción. En mediciones sobre células aisladas, donde se utilizan microelectrodos como transductores, el potencial de acción es en sí mismo la señal biomédica. En mediciones sobre grandes grupos celulares, donde se utilizan electrodos de superficie como transductores, el campo eléctrico generado por la acción de muchas células distribuidas en las vecindades de los electrodos constituye la señal biomédica. Las más importantes y estudiadas son:

• Electrocardiografía (ECG): Actividad eléctrica del corazón • Electroencefalografía (EEG): Actividad eléctrica del cerebro • Electromiografía (EMG): Actividad eléctrica de los músculos

El campo eléctrico se propaga a través del medio biológico, y así el potencial puede adquirirse a distancia desde la superficie del sistema en estudio, eliminándose la necesidad de invadirlo. La señal bioeléctrica utiliza electrodos como transductores ya que la conducción eléctrica en el medio biológico es a través de iones, mientras que en el sistema de medición la conducción es

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mediante electrones. La figura 50, muestra las señales ECG, tomadas con un electrocardiógrafo.

Figura 50. Señales ECG (electronicdesign.com)

La figura 51, muestra un modelo de un electrocardiógrafo digital.

Figura 51. Electrocardiógrafo digital (www.tmamedica.com)

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Figura 52. Señales EEG (http://butler.cc.tut.fi)

La figura 53, muestra un modelo comercial de un electroencefalógrafo.

Figura 53. Electroencefalógrafo virtual (www.twistermedical.com)

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Figura 54. Señal de EMG (www.dataq.com)

La figura 55, muestra un modelo comercial de un electromiógrafo.

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3.3 CARACTERIZACION DE SEÑALES BIOMEDICAS

La tabla numero uno, caracteriza las principales señales bioeléctricas del cuerpo humano, en donde se considera su rango de amplitud, el espectro de frecuencia y el sensor utilizado para medirlas.

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4. AMPLIFICADORES DE BIOINSTRUMENTACIÓN

Se denominan amplificadores de bioinstrumentación a los amplificadores de instrumentacion que han sido diseñados para aplicaciones médicas, tal como los INA 114, INA 331 e INA 126 fabricados por la Texas Instruments o el AD620 de Analog Device. La figura 56 muestra algunas de las aplicaciones de un amplificador de bioinstrumentación, tales como, amplificación de bioseñales, adquisición de imágenes medicas, ingeniería de rehabilitación (prótesis de mano).

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4.1 PARAMETROS DE SELECCIÓN DE UN AMPLIFICADOR DE BIOINSTRUMENTACIÓN

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo electrónico capaz de lograr amplificaciones importantes señales diferenciales, con muy bajo ruido, con alimentación simple o doble, baja deriva térmica, bajo consumo y variación de la salida hasta los límites de la alimentación, es decir sin caída en la salida. Las bioseñales son enmascaradas por ruidos eléctricos provenientes principalmente de la red eléctrica de 60Hz y por lo tanto se hace indispensable la amplificación con estos dispositivos.

Las principales características de los amplificadores de instrumentación que conforman el conjunto de parámetros de selección son las siguientes:

1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000. Su ganancia diferencial se controlada mediante un único elemento analógicos (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

2) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer una CMRR muy alta en todo el rango de frecuencia en que opera.

3) Impedancia de los terminales de entrada muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.

4) Impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.

5) Bajo nivel de la tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas.

6) Ancho de banda ajustada a la que se necesita en el diseño.

7) Un factor de ruido muy próximo a la unidad, esto es, que no incremente el ruido.

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4.2 AMPLIFICADOR DE BIOINSTRUMENTACIÓN INA114

La siguiente información esta tomada de la hoja de especificaciones técnicas del fabricante. (http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ina114.html)

• DESCRIPCION: El INA114 es un amplificador de instrumentacion de propósito general, de bajo costo y alta exactitud. Esta construido con la configuración clásica de 3 amplificadores operacionales. Su ganancia se puede ajustar desde 1 hasta 10.000 con una simple resistencia conectada externamente entre los pines 1 y 8. Cuenta con un circuito de protección de entrada para recortar tensiones mayores a +/- 40V y evitar así danos por sobre tensiones. (Esto es muy importante cuando el INA114 se utiliza en el modulo ECG de un monitor de signos vitales, en donde en la Unidad de Cuidados Intensivos, se puede aplicar al paciente un defibrilador, cuando el paciente se encuentra en paro cardiaco, y este equipo entrega picos de voltaje del orden de 1 a 3 KV que se van por los cables de electrocardiografía hacia el INA114.)

• CARACTERISTICAS TECNICAS: - Bajo voltaje offset: 50µV

- Baja deriva térmica: 0.25 µV/°C

- Baja corriente de polarización de entrada: 2nA

- Alta Relación de Rechazo en Modo Común: 115 dB mínima - Protección contra sobre voltaje de entrada: +/- 40V

- Amplio rango de alimentación: +/- (2.5 a 18V) - Bajo consumo de corriente en reposo: 3 mA - Impedancia de entrada: 1012 Ω

- Ruido térmico de voltaje: 11 nV/(Hz) ½ (f = 1 KHz) - Máximo voltaje de salida: +/- 13.7V

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- Ancho de banda: 1 KHz (Ganancia = 1000), suficiente para la . amplificación de la mayoría de bioseñales en instrumentacion medica. • APLICACIONES:

- Amplificador de puentes (Wheatstone y AC) - Amplificador de termocuplas

- Amplificador de sensores RTD (Resistencias Dependientes de la Temperatura)

- Adquisición de datos (Adecuar la señal de entrada al convertidor análogo/digital)

- Instrumentacion Medica (Aplicaciones en instrumentacion diagnostica) La figura 57, muestra el circuito interno del INA114:

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• DESCRIPCION: El INA331 es un amplificador de instrumentacion CMOS de baja potencia, de amplio rango de aplicaciones. Es de bajo costo y amplificación de bajo ruido, como también es un circuito integrado de bajo consumo que puede ser alimentado con baterías. Necesita de solo una fuente de alimentación.

- Baja deriva térmica: 5 µV/°C

- Baja corriente de polarización de entrada: 0.5pA

- Alta Relación de Rechazo en Modo Común: 94 dB mínima - Rango de alimentación: +(2.5 a 5.5V)

- Bajo consumo de corriente en reposo: 415 µA - Impedancia de entrada: 1013 Ω

- Ruido térmico de voltaje: 46 nV/(Hz) ½ (f = 1 KHz) - Máximo voltaje de salida: +5.5V

- Rango de Ganancia: 5 a 1000

- Ancho de banda: 2 MHz (Ganancia = 25) • APLICACIONES:

- Audio amplificación

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- Autotrónica

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• DESCRIPCION: El INA126 es un amplificador de instrumentacion de precisión, bajo ruido, baja corriente de consumo, lo que lo hace ideal para instrumentos portátiles alimentados con baterías.

- Baja deriva térmica: 3 µV/°C

- Baja corriente de polarización de entrada: 10nA

- Alta Relación de Rechazo en Modo Común: 94 dB mínima - Rango de alimentación: +/-(1.35 a 18V)

- Bajo consumo de corriente en reposo: 175 µA - Impedancia de entrada: 109 Ω

- Ruido térmico de voltaje: 35 nV/(Hz) ½ (f = 1 KHz) - Máximo voltaje de salida: +/- 17.1V

- Rango de Ganancia: 5 a 10000

- Ancho de banda: 1.8 KHz (Ganancia = 500) • APLICACIONES:

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- Instrumentación portátil

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5. TERMOMETRIA CLINICA

La temperatura es considerada un signo vital, es decir, el valor de esta variable es un indicador medico importante a la hora de determinar el estado de salud del paciente. Por lo tanto, es necesario desarrollar sistemas electrónicos exactos y confiables para medirla y registrarla.

5.1 TERMORREGULACION

Es la capacidad del cuerpo para regular su temperatura. Los animales homeotermos tienen capacidad para regular su propia temperatura.

La temperatura normal del cuerpo de una persona varía dependiendo de su sexo, su actividad reciente, el consumo de alimentos y líquidos, la hora del día y, en las mujeres, de la fase del ciclo menstrual en la que se encuentren. La temperatura corporal normal, de acuerdo con la Asociación Médica Americana (American Medical Association), puede oscilar entre 36,5 y 37,2°C.

En el caso de los humanos, el control de la temperatura es increíble, ya que este no pasa más allá de los 0,6 ºC, aún sometidos a temperaturas altas (60 ºC) o relativamente bajas (12 ºC). Todo lo relacionado con la temperatura animal ha sido medido cada vez con más precisión desde 1592 con la creación del primer termómetro.

5.2 LA FIEBRE

Los seres humanos tienen desarrollado mecanismos fisiológicos que les permiten tener una temperatura corporal constante. Sin embargo, el equilibrio

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calórico de un organismo se puede perder con gran facilidad y ocasionar alteraciones como la fiebre. La fiebre es una alteración del “termostato" corporal, ubicado en el hipotálamo, que conduce a un aumento de la temperatura corporal sobre el valor normal. Éstos pueden ser causados por: Enfermedades Infecciosas Bacterianas, Lesiones Cerebrales, Golpes de Calor.

Enfermedades infecciosas bacterianas: Es el caso de las bacterias que generan toxinas, que afectan al hipotálamo, aumentando la temperatura. Esto afecta a los mecanismos de ganancia de calor, los cuales se activan. Los compuestos químicos que generan aumento de temperatura son los pirógenos Lesiones cerebrales: Al practicar cirugías cerebrales se puede causar daño involuntariamente en el Hipotálamo, el cual controla la temperatura corporal. Esta alteración ocurre también por tumores que crecen en el cerebro, específicamente en el Hipotálamo, de manera que el termostato corporal se daña, desencadenando estados febriles graves. Cualquier lesión a esta importante estructura puede alterar el control de la temperatura corporal ocasionando fiebre permanente.

Golpes de calor: El límite de calor que puede aumentar el humano, está relacionado con la humedad ambiental. Así, si el ambiente es seco y con viento, se pueden generar corrientes de convección, que enfrían el cuerpo. Por el contrario, si la humedad ambiental es alta, no se producen corrientes de convección y la sudoración disminuye, el cuerpo comienza a absorber calor y se genera un estado de fiebre. Esta situación se agudiza más aún si el cuerpo está sumergido en agua caliente.

En el ser humano se produce una aclimatación a las temperaturas altas, así nuestra temperatura corporal puede llegar a igualar la del medio ambiente sin peligro de muerte. Los cambios físicos que conducen a esta aclimatación son: el aumento de la sudoración, el incremento del volumen plasmático y la disminución de la pérdida de sal a través del sudor.

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5.3 REACCIONES DEL CUERPO A LOS CAMBIOS TERMICOS 5.3.1 AL CALOR

36 °C: Temperatura normal del cuerpo, ésta puede oscilar entre 36-37,5 ºC 38 °C: Se produce un ligero sudor con sensación desagradable y un mareo leve. 39 °C: Pirexia, existe abundante sudor acompañado de rubor, con taquicardias y disnea. Puede surgir agotamiento. Los epilepticos y los niños pueden sufrir convulsiones llegados a este punto.

40 °C: Mareos, vértigos, deshidratación, debilidad, náuseas, vómitos, cefalea y sudor profundo.

41 °C: Urgencia. Todo lo anterior más acentuado, también puede existir confusión, alucinaciones, delirios y somnolencia.

42 °C: Además de lo anterior, el sujeto puede tener palidez o rubor. Puede llegar al coma, con hiper o hipotensión y una gran taquicardia.

43 °C: Normalmente aquí se sucede la muerte o deja como secuelas diversos daños cerebrales, se acompaña de continuas convulsiones y shock. Puede existir el paro cardiorrespiratorio.

44 °C ó superior: La muerte es casi segura, no obstante, existen personas que han llegado a soportar 46 °C.

5.3.2 AL FRIO

35 °C: Se llama hipotermia cuando es inferior a 35 °C. Se presenta temblor intenso, entumecimiento y coloración azulada/gris de la piel.

34 °C: Temblor severo, pérdida de capacidad de movimiento en los dedos, cianosis y confusión. Puede haber cambios en el comportamiento.

33 °C: Confusión moderada, adormecimiento, arreflexia, progresiva pérdida de temblor, bradicardia, disnea. El sujeto no reacciona a ciertos estímulos.

32 °C: Urgencia. Alucinaciones, delirio, gran confusión, muy adormilado pudiendo llegar incluso al coma. El temblor desaparece, el sujeto incluso puede creer que su temperatura es normal. Hay arreflexia, o los reflejos son muy débiles.

31 °C: Existe coma, es muy extraño que esté conciente. Ausencia de reflejos, bradicardia severa. Hay posibilidad de que surjan graves problemas de corazón.

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28 °C: Alteraciones graves de corazón, pueden acompañarse de apnea e incluso de aparentar o incluso estar muerto.

26-24 °C ó inferior: Aquí la muerte normalmente ocurre por alteraciones cardiorrespiratorias, no obstante, algunos pacientes han sobrevivido a bajas temperaturas aparentando estar muertos a temperaturas inferiores a 14 °C. 5.4 TERMISTORES CLÍNICOS

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc.

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial, como lo muestra la figura 60.

Figura 60. Relacion R Vs. T de un NTC (www.betatherm.com)

La ecuación que relaciona la Resistencia con la Temperatura es la siguiente: R(T) = Ro e β (1/T – 1/To) ,(Ecuación 1), donde:

• To: Temperatura inicial del rango de medida (°K), • Ro: Resistencia del termistor a la temperatura To (Ω),

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• T: Temperatura a medir (°K),

• R(T): Resistencia del termistor a la temperatura T (Ω).

El sensor mas utilizado en termometría clínica es el termistor (NTC), por las siguientes razones:

• Alta exactitud: esto significa errores mínimos en la medición.

• Rápida respuesta térmica: Cuando varia la temperatura se obtiene rápidamente el cambio en el valor de la resistencia.

• Pequeño tamaño: permite introducirlo en el canal auditivo para medir la temperatura del oído medio.

• Alta resolución: pequeños cambios en la temperatura producen cambios detectables en la resistencia del sensor. Es norma en termometría clínica que los sensores tengan una resolución menor de 0.1 °C.

• Alta estabilidad: su relación salida entrada es estable.

• Larga vida: el paso del tiempo no lo envejecen tan rápidamente conservando los valores de sus parámetros técnicos.

La figura 61muestra modelos comerciales de sensores NTC de aplicación clínica.

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Las siguientes son las especificaciones técnicas de sensores NTC del fabricante americano U.S.SENSOR (www.ussensor.com):

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5.5 DISEÑO DE UN TERMOMETRO CLINICO

La figura 62 muestra el diagrama de bloques del módulo de temperatura de un termómetro clínico.

Figura 62. Modulo de temperatura de un monitor de signos vitales

A continuación se describe la función de cada etapa del módulo: 5.5.1 NTC

Termistor clínico (Estudiado en el numeral anterior) 5.5.2 ADECUADOR DE SEÑAL

Consiste en un amplificador no inversor, en donde la salida, Vo1(T), es proporcional al producto entre la resistencia del NTC y una corriente DC menor a 100 µA. Este valor de la intensidad de la corriente garantiza que el NTC no se autocaliente por ley de Joule. Además, al NTC se le conecta una resistencia en paralelo (Rp), con el propósito de linealizar la relación Resistencia versus Temperatura del sensor. El valor de Rp en la práctica, se toma como el valor de la resistencia del NTC a la mitad del rango de temperatura medido. Por ejemplo, en el caso de termometría clínica, el rango de temperatura a medir va desde 33 °C hasta 43 °C y por lo tanto la mitad de la escala corresponde a 38 °C. Si se utilizara el sensor mencionado en el numeral 6.4 referencia PR222J2, su resistencia a 38°C, sería de 1301.1 Ω.

La figura 63, muestra el circuito del adecuador de señal.

NTC

NTC ADECUADOR

DE SEÑAL

ADECUADOR

DE SEÑAL AMPLIFICADORAMPLIFICADOR

CIRCUITO DE CALIBRACION CIRCUITO DE CALIBRACION FILTRO PASABAJAS FILTRO PASABAJAS CIRCUITO MICROCONTROLADO CIRCUITO MICROCONTROLADO T

T R(T)R(T) Vo1(T)Vo1(T) Vo2(T)Vo2(T)

Vo3(T)

Vo4(T)

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Figura 63. Adecuador de señal

5.5.3 AMPLIFICADOR

Como la salida de la etapa anterior es negativa y está en el orden de los 100 mV, es necesario amplificar esta señal diez veces con otro amplificador inversor cuya salida sea ahora positiva, Vo2(T). La figura 64 muestra esta etapa amplificadora.

Figura 64. Etapa amplificadora

I = 100 µA

Rp

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5.5.4 CIRCUITO DE CALIBRACIÓN

Consiste en un amplificador de instrumentacion (INA 114), a cuya entrada inversora se conecta Vo2(T) y a la no inversora se le conecta un divisor de voltaje basado en un potenciómetro de precisión para calibrar la temperatura mínima (33 °C). Esto se hace, colocando el NTC a 33 °C y ajustando el potenciómetro de precisión hasta que la salida del amplificador de instrumentacion, Vo3(T), sea cero. El ajuste de plena escala se hace colocando el NTC a 43 °C y se ajusta la resistencia de ganancia, Rg, del amplificador de instrumentacion hasta que la salida de este es de 5V, ya que el convertidor análogo digital dentro del microcontrolador, convierte a digital, señales análogas que varíen desde cero a 5V. La figura 65 muestra el circuito de calibración.

Figura 65. Etapa de calibración

5.5.5 FILTRO PASABAJAS

El espectro de la señal térmica del cuerpo humano, va desde DC hasta 5 Hz. Se emplea el filtro pasabandas con frecuencia de corte a 10 Hz y atenuación de 20 dB/década, para eliminar ruidos de 60 Hz inducidos por la red de potencia eléctrica y ruidos de 120 Hz inducidos por rectificadores de onda completa de las fuentes de alimentación. En la banda pasante del filtro Vo3(T) es igual a Vo4(T). La figura 66 muestra el circuito del filtro pasabajas.

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Figura 66. Filtro pasabajas

5.5.6 CIRCUITO MICROCONTROLADO

En un monitor de signos vitales convencional, la salida del filtro pasabajas, se conecta a un convertidor análogo/digital de alta resolución (10 bits o mas) y a su vez la salida de este se conecta a la entrada de un microprocesador.

Ahora bien, si el monitor de signos vitales es virtual, es decir, se utiliza un computador externo para visualizar la información y almacenarla, las señales de los signos vitales, una vez han recibido el correspondiente proceso análogo para que sus variaciones sean positivas y oscilen en el rango de 0 a 5V, se conectan a la entrada de un microcontrolador que dispone de convertidores análogo/digitales y mediante múltiplexación en el tiempo, se digitalizan para entregárselas a un puerto de comunicación del computador, que bien pudiera ser el puerto USB (Bus Serial Universal). Esto se hace mediante un circuito que convierte el formato binario puro en protocolo USB.

El circuito de la figura 67 muestra la etapa microcontrolada de un termómetro clínico que entrega la información en un display LCD y que emite una alarma acústica, mediante un zumbador, cuando la temperatura del paciente es mayor a 38 °C (hipertermia) o cuando es menor a 35 °C (hipotermia), como también se encienden y apagan los diodos emisores de luz (LED) respectivos.

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Figura 67.Etapa microcontrolada de un termómetro clínico

5.6 TERMOMETRO CLINICO COMERCIAL

Con los avances de la microelectrónica, actualmente se construyen termómetros clínicos de pequeño volumen y bajo peso. La figura 68 muestra un modelo comercial.

Figura 68. Termómetro clínico (www.globalsources.com)

Las siguientes son las especificaciones técnicas:

Key Specifications/Special Features:

• Display range (Rango de medida) : 32 to 42 degrees Celsius • Accuracy (Exactitud): 0.1 degrees Celsius

• Minimum scale (Resolución): 0.1 degrees Celsius • Measures orally (Medición oral)

• Beeper function (Función beeper): pita cuando ha establecido la medida • Auto shut-off : Se apaga automáticamente después de 5 minutos • 1.5V battery (LR/SR-41) : Alimentación con batería

MICROCONTROLADOR MICROCONTROLADOR HIPERTERMIA HIPERTERMIA HIPOTERMIA HIPOTERMIA NORM AL NORMAL Vo4(T) Vo4(T)

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• Size: (tamaño) 122 x 17 x 10mm

• LCD: 20 x 7.5mm (Dimensiones de la pantalla LCD) • Net weight (Peso neto): 9.5g

6. GENERACIÓN DE POTENCIALES BIOLECTRICOS

Las señales bioeléctricas son las más estudiadas en el campo medico (ECG, EEG, EMG) y por lo tanto es importante entender los principios básicos de cómo se generan los potenciales bioeléctricos a nivel celular y como se manifiestan en el exterior del cuerpo, para adquirirlos y procesarlos electrónicamente.

Estos potenciales se producen debido a la actividad electroquímica de las células conocidas como excitables pertenecientes al tejido nervioso, muscular y glandular.

Se considera que una célula se encuentra en reposo, cuando no se encuentra excitada, es decir no está estimulada por ningún tipo de energía. En este caso se genera una diferencia de potencial entre el interior y el exterior, denominada potencial de reposo, debido a que no varía en el tiempo.

Así mismo, una célula está excitada cuando experimenta una estimulación debido a la aplicación de una energía, que puede ser de naturaleza química, lumínica, eléctrica, magnética, mecánica, calórica, etc. En este caso, se genera una variación dinámica en el tiempo de la diferencia de potencial intercelular, a la que se le denomina potencial de acción.

6.1 GENERACIÓN DEL POTENCIAL DE REPOSO

Toda célula, animal o vegetal, se caracteriza por tener una membrana semipermeable y selectiva que demarca el límite de separación entre su estructura interna y el medio que la rodea, siempre líquido. Tanto el interior de la célula, como el medio ambiente que la rodea, son soluciones electrolíticas y el sistema se caracteriza por el hecho de que en el interior de la célula se acumula potasio, mientras en el medio externo, el ion prevaleciente es el sodio. La figura 69 muestra la concentración de iones tanto en el interior como en el exterior de la célula. Ambos medios se encuentran separados por la membrana celular.

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Figura 69. Concentración de iones en las células (http://butler.cc.tut.fi)

Si estas concentraciones se igualaran, la diferencia de potencial celular seria cero y esto representaría la muerte de la célula, tal como se puede observar en la figura 70.