TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS.

CLASE 11 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA
TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS.
En medición de eventos fisiológicos en seres vivos los
transductores fotoeléctricos son empleados en 2 formas:
a).- Como detector de cambios en la intensidad
de la luz de una cierta longitud de onda, como en
la colorimetría y espectrometría.
b).- Como detector de intensidad de la luz en
donde la longitud de onda no es relevante.
Básicamente hay 3 tipos de transductores fotoeléctricos:
1.- Los fotoemisores (fototubo) en el cual se
liberan electrones de una superficie metálica.
2.- Los fotovoltáicos, donde se produce una
diferencia de potencial entre 2 substancias en
contacto.
3.Los
fotoconductivos,
como
la
fotorresistencia, donde ocurre un cambio en
conductividad.
Aún cuando hay cierto traslape en sus características, su
selección esta relacionada por sus particulares características de
respuesta al espectro de luz, sensitividad, votaje y corriente de salida.
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* Tubos fotoemisores.
El tubo fotoemisor es un bulbo al vacío (o lleno de alguna mezcla
de gases) con 2 electrodos, el cátodo es una superficie metálica cubierta
de un material (compuestos de cesio, antimonio, plata y bismuto) que
libera electrones cuando se le ilumina, el ánodo es un tubo delgado o un
alambre.
La emisión de electrones se presenta si la longitud de onda es
menor a cierto valor, así hay limitación de su sensitividad a longitudes de
onda largas.
Dependiendo del material fotosensible se tienen características
especiales a las componentes de longitud de onda de la luz, así, ciertos
materiales tienen una alta sensitividad a un angosto ancho de banda del
espectro en tanto que otras son sensibles prácticamente a todas las
componentes del espectro.
En los transductores con tubos fotoemisores se aplica un voltaje
relativamente alto (entre 10 y 200 volts), sin luz no se presenta
conducción, ante la presencia de luz se liberan electrones en el cátodo y
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se establece un flujo de corriente hacia el ánodo que es linealmente
proporcional a la intensidad de la luz incidente.
El flujo de corriente es pequeño (no suficiente para indicación
directa) y requiere de etapas de amplificación. En tubos fotoemisores
llenos de mezclas de gases es posible obtener corrientes más altas. En
cualesquier caso, en ausencia total de luz, los tubos fotoemisores exhiben
una pequeña corriente de fuga, y su respuesta a la frecuencia es muy alto
(tiempos menores a 1 milisegundo).
La respuesta de los tubos fotoemisores a las diferentes
longitudes de onda de la luz generalmente se presentan en forma de una
curva designada por una S (de spectrum) y un número.
Un tipo particular del tubo fotoemisor es el fotomultiplicador,
donde se agregan ánodos, cada uno a un potencial más alto,
obteniéndose en 10 o más etapas amplificaciones de corriente en el
orden de millones con tiempos de respuesta de del orden de
nanosegundos.
Debido a su alta sensitividad y corto tiempo de respuesta, los
fotomultiplicadores son aplicados ampliamente para detectar bajos niveles
de luz presentes en cortos tiempos.
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Un caso de aplicación en ingeniería biomédica son contadores
de centelleos presentes en estudios de medicina nuclear, donde las
emisiones de un material radioactivo (que es aplicado al paciente) son
convertidas a luz mediante una pantalla fluorescente y detectada su
intensidad y localización mediante fotomultiplicadores.
En estudios radiológicos dinámicos de diagnóstico, durante
fluroscopía, se utilizan fotomultiplicadores para controlar el kilovoltaje y
miliamperaje en el tubo de rayos x de tal forma que independientemente
del tipo de paciente se tenga una buena imagen.
* Celdas fotovoltáicas.
A diferencia de los tubos fotoemisores (que requieren altos voltajes y
producen, al se iluminados, bajas corrientes), las celdas fotovoltáicas
(también conocidas como fotogalvánicas o fotoceldas) producen un
voltaje a un substancial nivel de corriente.
Una de las celdas fotovoltáicas más populares consiste de un sándwich
con dos superficies asiladas, una con un recubrimiento de selenio y la
otra de hierro o acero. Cuando se ilumina, se absorbe la energía de la
luz, liberando electrones produciendo una diferencia de potencial que es
negativa en el lado metálico y positivo en el lado del selenio.
Adicionalmente, la resistencia interna de la celda decrece con el
incremento en luz, permitiendo conectar varias celdas en paralelo y
evitando que celdas que no reciban luz carguen al circuito.
Debido a que la relación de intensidad de luz a voltaje es no lineal
(produciendo voltajes en circuito abierto entre 200 y 600 mV),
generalmente se relaciona con la magnitud de la corriente (aprovechando
la reducción de la resistencia con el incremento en intensidad de luz),
produciéndose una relación bastante lineal.
Las fotoceldas de selenio cubren el rango de luz visible, por lo que son
ampliamente utilizadas en medidores de iluminación, medidores de
exposición de luz y colorímetros simples (mediante el uso de filtros
ópticos).
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Debido a su alta capacitancia, las celdas fotovoltáicas presentan
respuestas mayores a 5 milisegundos.
La principal desventaja de las celdas fotovoltáicas es su sensitividad a
cambios en temperatura.
Otro ejemplo de celda fotovoltáica es la unión de materiales
semiconductores P-N, La absorción de la energía de la luz por la unión
P-N resulta en la generación de pares electrón – hueco que produce un
voltaje en la unión.
La aplicación más importante del fotodiodo es la batería solar, que
convierte la luz solar en potencia eléctrica, pero como transductor
fotovoltáico presenta una característica no lineal, ya sea polarizado en
directa o inversamente o sin polarización.
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La sensitividad espectral de las celdas fotovoltáicas de union P-N
está en el rango de las regiones roja e infrarroja, su tiempo de respuesta
está en el rango de microsegundos a milisegundos, lo cual los ha hecho
ampliamente utilizados en detectores de luz.
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Otra aplicación importante es su uso en dispositivos de
aislamiento eléctrico (optoaisladores), donde una señal eléctrica es
convertida a luz mediante un LED y es detectada a cierta distancia por
una celda fotovoltáica de unión PN, abriendo cualesquier conexión
conductora entre entrada y saliendo proveyendo un excelente aislamiento
eléctrico.
* Celdas fotoconductivas.
Las celdas fotoconductivas o fotoresistivas están formadas por
una delgada película de materiales como selenio, germanio, silicio o
sulfatos metálicos. Cuando son expuestos a cierto tipo de energía
radiante, exhiben un fenómeno fotoconductivo, decrecimiento es su
resistencia. El cambio en resistencia es significativo, de muchos
megaohms en la oscuridad a pocos cientos de ohms en plena
iluminación.
En la mayoría de las celdas fotoconductivas, el incremento en
nivel de iluminación es aproximadamente lineal con la conductancia, lo
cual es una relación inversa de la resistencia. Estos detectores son
extremadamente sensibles y son empleados frecuentemente como
interruptores activados por luz o en aplicaciones de colorimetría.
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Algunas celdas fotoconductivas son muy sensibles al rango de
radiación infrarroja lo que ha hecho que se apliquen en espectroscopia y
en misiles dirigidos por rayos u objetivos que emiten este tipo de
radiación.
El tiempo de respuesta de los transductores fotoconductivas varía con la
intensidad de la luz, pero anda en un rango de 0.1 a 30 milisgundos.
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* El fototransistor.
Con el fotodiodo, le cambio de corriente con el cambio en nivel de
intensidad es pequeño, aún cuando su tiempo de respuesta es bastante
corto. Si se pudiera sacrificar algo del tiempo de respuesta, se pudiera
lograr incrementar la sensitividad en corriente utilizando un fototransistor.
El fototransistor se deja la terminal de base sin conectar y expuesta a la
luz, la intensidad de la luz produce un incremento en el potencial de la
base activando el transistor y amplificando este efecto en la corriente de
colector por el factor β del transistor.
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El fototransistor es un fotodetector de alta ganancia cuyo pico se
presenta en el rango de las regiones roja e infrarroja, su tiempo de
respuesta anda en el rango de 5 microsegundos.
Su aplicación, tanto en biomedicina como industrial, se ha visto limitada
por su inferioridad en respuesta comparado con el fotodiodo, tal parece
que la combinación del fotodiodo con un amplificador provee una mejor
solución de sistema de detección de luz que el fototransistor.
* Comparación entre transductores fotoeléctricos.
Con tal cantidad de detectores fotoeléctricos, conviene hacer una
revisión de sus características más importantes. Las características más
importantes de los sensores fotoeléctricos son:
•
Sensitividad al espectro de radiación (luz visible,
ultravioleta, infrarroja).
•
Tiempo de respuesta,
•
Tipo de salida (voltaje, corriente, resistencia),
•
Linealidad con la intensidad de la luz.
Los tubos fotoemisores:
•
Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz
visible y ultravioleta, mayor en tos tubos rellenos de
mezclas de gases).
•
Corto tiempo de respuesta (microsegundos).
•
Requieren un voltaje de polarización alto.
•
La relación corriente – intensidad de luz es bastante
lineal.
•
Presenta corriente de fuga en oscuridad.
•
Provee una salida pequeña de corriente.
•
El bulbo es frágil y sensible a impactos y fuerzas de
aceleración.
•
Los fotomultiplicadores proveen altas ganancias de
amplificación.
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Las celdas fotovoltáicas y de union P-N.
•
Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz
visible e infrarroja.
•
El tiempo de respuesta varía según el tipo, pero los
menores están en uniones P-N.
•
No requieren voltaje de polarización.
•
Son sensibles a cambios de temperatura.
•
Robustas.
Las celdas fotoconductivas (fotorresistencias, fotouniones P-N y fototransistores).
•
Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz
roja e infrarroja.
•
El tiempo de respuesta varía según el tipo, pero los
menores están en fotouniones P-N, siguiendo con el
fototransistor y las más largas con la fotoresistencia.
•
Requieren voltaje de polarización.
•
La resistencia varía inversamente con la intensidad de
la luz, no lineal.
•
La relación de corriente a intensidad es bastante
lineal en las fotouniones P-N y el fototransistor.
•
Robustas y sensibles a temperatura.
Para aplicaciones de colorimetría, se requiere seleccionar el transductor
con una alta ganancia en rango del espectro de interés, si no lo tiene se
podría agregar un filtro que le de selectividad, disminuyendo la eficiencia
del fotodetector pero logrando la sensitividad deseada en la región de
interés en el espectro.
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* Aplicaciones en colorimetría.
Además de las aplicaciones en colorímetros y espectrofotómetros para el
análisis de fluidos biológicos, los transductores fotoeléctricos permiten la
medición de eventos fisiológicos en seres vivos; Dos aplicaciones son la
determinación del nivel de saturación de oxígeno en sangre a medida que
circula y la concentración de bióxido de carbono en el flujo de aire de
expiración. En el primer caso se utilizan fotodetectores (con sus
adecuados filtros) para sensar cambios en densidad de color.
La determinación del nivel de saturación de oxígeno en la sangre
mediante la medición de su tonalidad roja en seres vivos se hace por
transiluminación a través de un tejido rico en vasos sanguíneos, como el
lóbulo de la oreja. En un lado se coloca un emisor de luz y en el otro dos
detectores fotovoltáicos, cada uno cubierto por un filtro. El primero
detecta radiación en la porción roja del espectro (640 mµ) y el segundo en
la región de la radiación infrarroja (800 mµ).
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El primer detector (canal rojo) provee una señal que indica la
cantidad de oxígeno en la sangre y la cantidad de sangre en el tejido, por
supuesto, en la trayectoria de luz. El segundo detector (canal infrarrojo)
es independiente de la saturación de oxígeno y porta información de la
cantidad de sangre y tejido en la trayectoria de luz.
El grado de saturación de oxígeno se determina calibrando el
fotodetector contra muestras de sangre analizadas químicamente. La
curva de calibración es un gráfico de saturación de oxígeno contra la
razón del nivel sensado en el canal rojo entre el nivel sensado en el canal
infrarrojo. Con esto podemos esperar una medición no invasiva del nivel
de saturación de oxígeno en sangre en tiempo real son una exactitud en
el orden del +/- 5 % del valor real. La medición en tiempo real es
especialmente útil durante cirugías.
En el caso de la concentración de bióxido de carbono (ya
mencionado en un tema anterior), se aprovecha la propiedad de
transducción del bióxido de carbono de absorber radiación infrarroja con
longitud de onda de 4.26 µ, en un lado se instala una fuente de radiación
infrarroja en esa banda del espectro y en el otro lado un fotodetector.
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En este caso la relación es inversa, a mayor concentración de
bióxido de carbono, menor la señal del fotodetector. Con esto se pudo
lograr un sistema que ofrece mediciones de concentración de CO2 cada
50 milisegundos.
* Aplicaciones no colorimétricas.
Hay numerosas aplicaciones no colorimétricas de fotodetectores,
una de primeras fue utilizado en un sistema de medición de presión
arterial. En este transductor se fija una banda de sombra en el extremo
libre de un Tubo Bourdon que detecta presión, En un lado de la banda se
coloca una fuente de luz y en el otro lado un fotodetector, a medida que
se incrementa la presión, el extremo del Tubo Bourdon se desplaza
descubriendo la banda de sombra de la trayectoria entre la fuente de luz y
el fotodetector. En esta forma se obtiene una señal eléctrica en relación a
la presión.
En otra aplicación se utiliza un cateter en cuya punta y parte
anterior se tiene una membrana reflectiva, en la parte anterior a la
membrana se tiene una fuente de luz y un fotodetector, la membrana
cambia su posición en función a la presión, haciendo que se modifique la
cantidad de luz reflejada y la señal eléctrica del fotodetector.
Fotodetectores, en particular celdas fotovoltáicas y fotorresistencias han
sido ampliamente utilizadas para detectar pulso, en este caso hay 2
técnicas para lograrlo.
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En un caso la masa bascular es puesta entre la fuente de luz y el
fotodetector, en este caso el flujo capilar modula la densidad de luz que
pasa por transmitancia. En el segundo caso, la fuente de luz esta en el
mismo lado del fotodetector y la detección de pulso se realiza por la
cantidad y dispersión de la luz reflejada.
Otro caso de aplicación de transductores fotoeléctricos está en las
bombas de infusión. En las bombas de infusión se hace pasar una sonda
que proviene de un recipiente con suero y/o medicamento, se controla el
volumen a pasar al paciente modificando la frecuencia de goteo del suero
en una sección cilíndrica y transparente de la sonda.
En este caso se coloca la fuente de luz en un lado de la sección cilíndrica
y un fotodetector en el otro lado, cada vez que pasa una gota, dispersa la
luz y reduce su cantidad a llegar en el fotorreceptor. En esta forma se
miden las gotas, de acuerdo a los diámetros y geometría, entre 15 y 30
gota hacen 1 centímetro cúbico (cc), con esto es posible tener una
retroalimentación de volumen que en el tiempo establece una cierta dosis
a controlar (100 cc/hr, etc.). Todo esto con la ventaja de que nunca se
tiene contacto con el fluido a suministrar.
Algunos problemas en la aplicación de fotodetectores son la frecuente
necesidad de proveer blindaje al sensor de tal forma que no le afecten
otras fuentes de luz. También, como generalmente se requiere de una
fuente de luz constante y su intensidad varía con el cuadrado del voltaje
de excitación, variaciones en la fuente de alimentación puede introducir
errores significativos. En este caso, frecuentemente se añade otro
fotodetector para monitorear directamente la fuente de luz y hacer
correcciones ante sus variaciones.
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