Registro de fenómenos biológicos

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REGISTRO DE FENÓMENOS BIOLÓGICOS
La medición de diversos parámetros como presión arterial, flujo sanguíneo, fuerza
muscular, etc, siempre ha sido un propósito primordial de los laboratorios de
fisiología. Hasta mediados del siglo XX se utilizaron con esa finalidad aparatos
mecánicos más o menos perfeccionados, que permitían convertir el fenómeno
estudiado en un movimiento medible y registrable.
Por ejemplo, el aparato dibujado a continuación permitía medir la contracción de
un músculo (M) a través del movimiento hacia arriba de la palanca (P), y
registrarlo gracias al roce que producía la punta de la palanca en un tambor
giratorio (TG) que se recubría con papel ahumado. Estos sistemas, aunque
permitieron progresos notables, tenían limitaciones importantes. Un ejemplo de
sistema mecánico puede verse en la Fig. 1.
Figura 1
TG
M
P
A lo largo del siglo XX, y especialmente en su segunda mitad, se fueron
perfeccionando los métodos de registro electrónicos. En ellos, el fenómeno
medido actúa sobre un dispositivo denominado transductor (T), que convierte al
mismo en la variación de una señal eléctrica. Algunos de los transductores más
frecuentemente usados, como los de fuerza o presión, se basan en montar una de
las resistencias de un puente de Wheatstone sobre un material deformable. El
fenómeno medido (por ejemplo, fuerza muscular) deforma al material y por lo tanto
a la resistencia, y ésta al ser deformada cambia mínimamente su valor resistivo.
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Ese mínimo cambio desbalancea el puente de Wheatstone y produce una
pequeña diferencia de potencial (usualmente unos pocos milivoltios) entre las dos
ramas del mismo. Luego de ser amplificada, la señal circula por un galvanómetro
de D´Arsonval y genera un campo magnético variable en la bobina móvil del
mismo. Al estar dentro de un campo magnético fijo (imán permanente) la bobina
Figura 2
Galvanómetro de
d´Arsonval
M
T
Amplificador
se mueve e inscribe un trazado mediante una aguja en un papel desplazable. Un
ejemplo de sistema electrónico puede verse en la Fig. 2.
Estos registradores se denominan analógicos, ya que producen una señal
continua que es proporcional en valor al fenómeno biológico estudiado. Aunque
este tipo de registrador es mucho más avanzado que el mecánico, la lectura de
registros en papel es dificultosa y consume mucho tiempo, y puede ser también
complicada la obtención de copias de los registros o la transmisión de datos.
A partir del uso generalizado de computadoras surgió la conveniencia de que las
señales amplificadas de los transductores pudiesen ser directamente adquiridas
por las mismas, pero como éstas “entienden” solamente un lenguaje digital
formado por ceros y unos, era necesario convertir previamente un tipo de señal en
otro. Así surgieron los circuitos conversores analógico-digitales, que están
montados sobre una plaqueta que a su vez es compatible con los formatos más
comunes de PC. También es posible producir señales analógicas a partir de
valores digitales almacenados, en lo que se llama la conversión digital-analógica.
Es evidente que ésta es una forma mucho más conveniente de adquisición de
datos, ya que se puede ver “on line” en el monitor sin consumir papel de registro, y
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además es muchísimo más flexible y rápido el almacenamiento, copia y
transmisión de los datos en formato digital.
Figura 3
Señal
original
Frecuencia
de muestreo
Resultado
1 seg.
1 seg.
5
10
20
40
Un sistema de conversión analógico-digital comprende, en su versión más
elemental, un circuito de adquisición de datos, otro de conversión analógico-digital,
y otro de transferencia hacia la memoria del sistema.
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a) Adquisición: este circuito toma lecturas de la señal analógica a intervalos de
Figura 4
Señal
original
Estados
asumibles
Bits
Resultado
1
1
0
2
3
3
2
1
0
7
6
5
4
3
2
1
0
tiempo prefijados e iguales. Dentro de la unidad de tiempo (generalmente 1
segundo) la señal analógica puede tomar infinitos valores dentro de su
amplitud, pero va a quedar representada por un número de puntos dependiente
de la frecuencia de muestreo. La Fig. 3 muestra el ejemplo de una señal de 1
segundo de duración (que podría representar, por ejemplo, el valor de la
presión intraventricular durante un latido cardíaco) recogida primero en forma
analógica (trazado superior) y luego muestreada sucesivamente a 5, 10, 20 y
40 veces por segundo (Hz). Es evidente que el parecido de la muestra con la
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señal original aumenta con la frecuencia de muestreo, y al mismo tiempo el
proceso de muestreo se hace más lento.
b) Conversión analógico-digital: el valor de la señal leído en el momento del
muestreo todavía es un valor analógico, y la señal representada por esa serie
de valores periódicos se denomina señal analógica de tiempos discretos. Cada
valor es almacenado brevemente por el circuito (que por esa razón recibe el
nombre de sample and hold) para poder ser transmitida al conversor. Este
puede recibir cualquier valor analógico dentro de un cierto rango adaptable al
valor de la señal, pero debe emitir para cada uno un valor digital en ceros y
unos. La fidelidad con que la señal digital represente a la analógica dependerá
de la resolución del conversor, que puede medirse en bits. El número de bits
del conversor permite saber cuántos estados puede asumir el circuito para
representar a la señal. Por ejemplo, si un conversor fuera de 1 bit podría
asumir solamente 2 estados: on (valor 1 ) y off (valor 0). El número de estados
posibles de asumir está expresado por 2n (n= número de bits). Otras dos
formas de expresar la resolución son dividir el tope de la escala en volts o en
porciento por el número de estados asumibles, lo cual da por resultado el
cambio más pequeño en la señal que es representable digitalmente por ese
conversor. Por ejemplo, si el valor máximo de la señal que se acaba de
analizar fuera 2 V (= 100%) los valores serían:
Conversor
Bits
1
2
3
Resolución
Estados asumibles V
2
1
4
0,50
8
0,25
%
50
25
12,50
Obviamente, el empleo de mayor número de bits aumenta el parecido de la señal
digital con la señal analógica, y también el tiempo consumido en el procesamiento.
c) Transferencia hacia la memoria del sistema: consume un tiempo que depende
de la velocidad del microprocesador de la computadora donde está instalada la
plaqueta conversora.
El cociente entre la unidad de tiempo y la suma del tiempo consumido por los tres
procesos (adquisición, conversión y transferencia) da la verdadera frecuencia
máxima de conversión del sistema de punta a punta, valor que en inglés se
denomina throughput y se mide en Hz. Las características de los tres procesos
deben estar acopladas, porque el tope depende del componente más lento. Un
adquisidor muy rápido acoplado a un conversor lento y/o a una computadora lenta
se verá “frenado” por dichos componentes.
El uso de un sistema de conversión muy lento con relación a la frecuencia máxima
del fenómeno medido origina un error denominado en inglés aliasing, que consiste
en la adquisición de una onda de forma muy parecida a la original pero de
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frecuencia mucho menor, y formada por datos que no pueden distinguirse de los
válidos. En la Fig. 5 se ve el resultado de muestrear con una frecuencia de 13 Hz
dos señales de 2 y 10 Hz. La de 2 Hz se reproduce con mucha exactitud, pero la
de 10 hz se interpretaría con una frecuencia 5 veces menor a la real. Para evitar el
aliasing, el sistema de conversión debe tener un throughput de al menos el doble
de la frecuencia máxima a registrar (teorema de Nyquist).
Figura 5
Resultado del
muestreo a 13 Hz
Señal original
1 seg.
1 seg.
2 Hz
2 Hz
10 Hz
2 Hz
(Aliasing)
En los trabajos prácticos de la Cátedra se usa el sistema analógico electrónico por
ejemplo en la toma del ECG; y la conversión A/D en el registo de la fuerza ejercida
por diversos preparados aislados.