Sensores y electrodos

TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
TEMA 6
SENSORES Y ELECTRODOS.
6-1 OBJETIVOS.
6-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN.
6-3 ADQUISICIÓN DE SEÑALES.
6-4 TRANSDUCCIÓN.
6-5 SENSORES ACTIVOS CONTRA SENSORES PASIVOS.
6-6 CAUSAS DE ERROR EN SENSORES.
Errores de Inserción.
Errores de Aplicación.
Errores Característicos.
Errores Dinámicos.
Errores del Medio Ambiente.
6-7 TERMINOLOGÍA EN SENSORES.
6-8 TÉCNICAS Y PROCESAMIENTO DE SEÑAL PARA MEJORAR EL SENSADO.
6-9 ELECTRODOS PARA SENSADO DE EVENTOS BIOFÍSICOS.
Potencial de Electrodo.
Modelo del Circuito de Electrodo.
Causas de problemas de registro.
6-10 ELECTRODOS DE SUPERFICIE.
Electrodos de Superficie Comunes.
Problemas con Electrodos de Superficie.
Electrodos de Aguja.
Electrodos Internos.
Electrodos EEG.
6-11 MICROELECTRODOS.
6-12 CUESTIONARIO.
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TEMA 6
SENSORES Y ELECTRODOS.
6-1 OBJETIVOS.
1.- Entenderá las características básicas aplicadas a sensores.
2.- Reconocerá las causas de error de medición en la aplicación de sensores.
3. Será capaz de indicar los problemas asociados con la adquisición de
biopotenciales.
4. Será capaz de listar los diferentes tipos de electrodos usados en la
adquisición de biopotenciales.
6-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN.
Estas preguntas evalúan tus conocimientos previos de este capítulo. Observa
las respuestas conforme vas leyendo el texto.
1.- ¿Qué diferencia hay entre propiedad y principio de transducción?
2.- ¿Cuál es la primera regla de la instrumentación?
3.- ¿Qué significa, en un transductor de presión arterial, una sensitividad de
10 μV/V-mm Hg?
4.- ¿Qué problema genera operar con un ancho de banda muy amplio?
5.- Defina el término media celda (half-cell) y potencial de corrimiento de
electrodo (electrode offset potencials).
6.- Describa el electrodo de columna. ¿Cual es la principal ventaja del
electrodo de columna?
6-3 ADQUISICIÓN DE SEÑALES.
La mayoría de los instrumentos biomédicos son dispositivos electrónicos y por
lo tanto deben tener algún tipo de señal eléctrica como entrada. Cuando se adquiere
un biopotencial se requiere algún tipo de electrodo entre el paciente y el instrumento.
En otros casos, se utilizará un transductor para convertir un estímulo o parámetro
físico no eléctrico, tal como fuerza, presión, temperatura, etc. a una señal eléctrica
analógica proporcional al valor o magnitud del parámetro o estímulo original.
Definición: Un transductor es un dispositivo que convierte alguna forma
de energía, producida por un estímulo físico, en una señal eléctrica analógica
proporcional al valor o magnitud del estímulo.
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6-4 TRANSDUCCIÓN.
Es necesario entender la relación entre los conceptos de principio de
transducción y propiedad de transducción. Una propiedad de transducción es una
característica del evento físico que es, en forma singular (esa característica se
presenta en ese evento físico y no en otros eventos cercanos), capaz de
representar ese evento y que puede ser transformada, mediante algún
dispositivo o proceso (principio de transducción), en una señal eléctrica.
Por ejemplo, el bióxido de carbono (CO2) absorbe ondas electromagnéticas
con longitudes de onda de 2.7, 4.3 y 14.7 μm; aún cuando el agua (vapor de agua)
absorbe radiación en 2.7 μm (en una grado muy pequeño) es posible construir un
sensor infrarrojo (IR) que responda ya sea a 4.3 0 14.7 μm o a todas las longitudes
de onda anteriores para la medición de CO2 que pudiera contener un gas, tal como el
aire. Los monitores de volumen expirado de CO2 usados en terapia respiratoria,
cuidados intensivos y anestesias, utilizan sensores infrarrojos. El principio de
transducción es el proceso de convertir la propiedad de transducción en una
señal eléctrica que pueda ser enviada a la entrada de un instrumento de medición.
6-5 SENSORES ACTIVOS CONTRA SENSORES PASIVOS.
Otra de las ambigüedades encontradas en temas de sensores biomédicos es
la distinción entre sensores pasivos y activos. Desafortunadamente, diferentes
autores utilizan diferentes (y aún opuestas) definiciones de estos términos, este tema
adopta el criterio utilizado por la mayoría de los profesionales en el campo de la
instrumentación biomédica, la cual es consistente con su uso en otras áreas de
aplicación de electrónica.
Un sensor activo requiere la alimentación de una fuente de poder de CA
o CD. Un ejemplo es el sensor de presión que utiliza galgas extensiométricas
resistivas, el cual requiere para operar la alimentación de una fuente de voltaje
regulada de +7.5 VCD. Sin ese voltaje de excitación externa no habría señal de
salida del sensor.
Un sensor pasivo, a diferencia de uno activo, produce su propia energía
o utiliza la energía del fenómeno que esta siendo medido. Un ejemplo del último
caso es el termopar, el cual es utilizado para medir temperatura.
Desafortunadamente algunos autores invierten estas definiciones, pero si
adopta las definiciones presentadas, será consistente con la mayor parte de la
literatura técnica y textos de instrumentación.
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6-6 CAUSAS DE ERROR EN SENSORES.
Los sensores, como muchos otros dispositivos muestran cierto error. Siendo
consistente, el error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor
verdadero. Como esta fuera del alcance de este tema presentar el rango completo
de posibles errores, se dividirán en cinco categorías básicas de error: de
inserción, de aplicación, característicos, dinámicos y de medio ambiente.
a) Errores de Inserción.
Este tipo de error ocurre cuando se inserta el sensor dentro del sistema
que esta bajo medición, lo cual es un problema generalizado en todas las
mediciones realizadas en circuitos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo, cuando
medimos el voltaje en un circuito, deberemos estar seguros que la impedancia
inherente (interna) del voltímetro sea mucho mayor que la impedancia en el circuito;
de otra manera estaremos “cargando” al circuito y la lectura tendrá un error
significativo. Posibles fuentes de esta forma de error incluye usar un transductor
demasiado grande, que afecte el estado del sistema, o un sensor demasiado lento
que agregue inercia a la dinámica del proceso, o uno que se caliente a sí mismo,
añadiendo energía térmica al sistema. En el siglo XIX Lord Kelvin formuló la
primera regla de la instrumentación: El instrumento de medición no deberá
alterar el evento que esta siendo medido.
b) Errores de Aplicación.
Estos errores son causados por el operador o quién realiza la medición,
la mejor forma de visualizarlos es mediante los siguientes ejemplos.
Un error visto frecuentemente en la medición de temperatura es la colocación
incorrecta del sensor o el incorrecto aislamiento del sensor del sitio de medición.
Este problema se presenta en la medicina clínica, en termómetros digitales, cuando
la cubierta sanitaria que cubre al sensor no se ha limpiado correctamente. Otro caso
de este tipo de error se presenta en los sensores para medición de presión
sanguínea, cuando no se purga el sistema de aire (burbujas en la línea), además de
colocar físicamente de manera incorrecta el transductor (abajo o arriba de la línea del
corazón) de tal forma que se añade una presión positiva o negativa al valor real.
c) Errores Característicos.
Estos errores son, en si mismos, inherentes al dispositivo, por ejemplo
debidos a la diferencia entre las características ideales (función de
transferencia) publicadas por el fabricante y las características reales del
dispositivo. Esta forma de error pudiera ser agregar un valor de corrimiento de CD
(DC offset), una pendiente (ganancia) incorrecta o una pendiente no perfectamente
lineal.
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d) Errores Dinámicos.
Producidos por la incapacidad del transductor de seguir cambios
rápidos en su entrada. Muchos sensores se calibran en condiciones estáticas (con
el parámetro de entrada constante (estático) o casi constante. Por otra parte, muchos
sensores presentan características dinámicas con un amortiguamiento muy alto
(sobreamortiguados) o una alta constante de tiempo, de tal forma que no
responderán ante cambios rápidos a su entrada.
Por ejemplo, los termistores tienden a requerir muchos segundos para
responder a un cambio escalón de temperatura. Esto es, un termistor en equilibrio no
cambiará inmediatamente a un nuevo valor de resistencias ante un cambio abrupto
de temperatura; cambiará lentamente hacia su nuevo valor. Por lo tanto, si se tienen
cambios rápidos de temperatura y son detectados por un sensor lento, la forma de
onda de salida estará distorsionada y producirá un error transitorio. Los parámetros
que hay que revisar en relación a errores dinámicos son: Tiempo de respuesta,
distorsión en amplitud y distorsión en fase.
e) Errores del Medio Ambiente.
Estos errores son producidos por el ambiente en el cual se usa el
sensor. Estos errores pueden ser producidos por la temperatura ambiente,
vibración, golpes, altitud, exposición a sustancias químicas, etc. Estos factores
frecuentemente afectan los errores característicos del sensor, de tal forma que, en
aplicaciones prácticas, algunas veces están combinados con esta categoría.
6-7 TERMINOLOGÍA EN SENSORES.
Los sensores, como en algunas otras áreas de la ingeniería, tienen cierta
terminología que deberá ser comprendida antes de ser debidamente aplicada. A
continuación se presenta la terminología básica de aplicación de sensores.
a) Sensitividad.
La sensitividad del sensor se define como la pendiente de la curva
característica de salida a entrada (ΔY/ΔX en la Figura 6-1). En ciertos sensores la
sensitividad se define como el cambio en el parámetro de entrada requerido para
producir un cambio estandarizado en la salida. En otros, se define como un cambio
en el voltaje de salida para un cambio dado en el parámetro de entrada.
Por ejemplo, un medidor de presión sanguínea típico pudiera tener una
sensitividad de 10 μV/V-mm Hg; esto es, habrá una salida de voltaje de 10 μV por
cada volt de excitación y cada milímetro de mercurio de presión aplicada al
transductor.
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Figura 6-1 Característica Ideal y Error de Sensitividad
b) Error de Sensitividad.
El error de sensitividad es la desviación en relación a la pendiente de la
característica ideal de salida a entrada (se muestra como una curva punteada en
la Figura 6-1). Por ejemplo, en el transductor de presión visto anteriormente pudiera
tener una sensitividad real de 8.8 μV/V-mm Hg en lugar de los 10 μV/V-mm Hg, lo
cual produciría un error de sensitividad de 1.2 μV/V-mm Hg.
c) Rango.
El rango de un sensor esta relacionado con los valores mínimo y máximo
que se permite aplicar a la variable o parámetro a ser medido. Por ejemplo. Un
sensor de presión puede tener un rango de -400 a +400 mm Hg. En ciertos casos el
rango positivo y negativo no es simétrico, esto es, presentan valores distintos. Por
ejemplo, cierto tipo de transductor de presión sanguínea esta especificado para tener
como límite mínimo (presión negativa o vacío) -50 mm Hg. (Ymin en la figura 6-1) y un
límite máximo (presión positiva) de +450 mm Hg. (Ymax en la figura 6-1); este tipo de
especificaciones no simétricas se presentan frecuentemente.
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Una de las razones por las que algunos doctores y enfermeras algunas veces
destruyen los sensores de presión sanguínea es cuando intentan extraer sangre a
través de una línea arterial sin prestar atención a la posición de la llave de paso que
conecta al transductor de presión. Una pequeña jeringa puede ejercer un tremendo
vacío transitorio en un sistema cerrado, produciendo que se sobrepase la
especificación mínima, dañando al sensor de presión.
d) Rango Dinámico.
El rango dinámico es el rango total del sensor desde el valor mínimo
hasta el valor máximo. Esto es, en la figura 6-1, Rdyn = Ymax - |-Ymin|.
e) Precisión
El concepto de precisión se refiere al grado de reproducibilidad de una
medición. En otras palabras, si hiciera un gran número de veces la medición con
una misma entrada, un sensor ideal deberá mostrar siempre exactamente la misma
salida. La salida de los sensores reales, durante mediciones repetidas, presenta un
rango de valores distribuidos alrededor del valor real.
Por ejemplo, suponga que se aplica una presión exacta de 150 mm Hg. a un
sensor. Aun si la presión aplicada nunca cambiara, los valores de salida del sensor
presentaran una cierta variación, la cual estará directamente relacionada con su
precisión (menor variación -> mayor precisión). Aún cuando pudiéramos esperar
que el valor promedio de las mediciones estuviera en el valor real, en ciertos casos
se presenta un corrimiento; esto tendrá relación con la exactitud del dispositivo.
f) Resolución.
Esta especificación es el cambio incremental más pequeño del
parámetro de entrada que puede ser detectado en la señal de salida. La
resolución puede ser expresada, ya sea como una proporción de la lectura de plena
escala o términos absolutos.
g) Exactitud.
La exactitud de un sensor es la diferencia máxima que existe entre el
valor real o verdadero (medido por un patrón estándar primario o uno
secundario de buena calidad) y el indicado a la salida del sensor. De nuevo, la
exactitud puede ser expresada como un porcentaje de la escala plena (% FS) o en
términos absolutos.
h) Corrimiento (Offset).
El error de corrimiento (offset) de un sensor o transductor se define
como la magnitud de la señal de salida que existe cuando debiera ser cero o,
en otros casos, la diferencia entre el valor real de la salida y el valor especificado de
salida bajo ciertas condiciones particulares.
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Figura 6-2 Curva típica de un electrodo de pH mostrando su cambio
(corrimiento - offset) debido a la temperatura.
Un ejemplo del primer caso, en términos de la Figura 6-1, se tendría si la
sensitividad real es igual que la ideal pero atravesando el eje de las Y (salida) en b
en lugar de cero. El segundo caso se ejemplifica en la Figura 6-2 con la
característica de un electrodo de pH. La característica ideal se presenta solamente a
una temperatura (generalmente 25°C), en tanto que la característica real estará entre
los límites de la temperatura mínima y la máxima, dependiendo de la temperatura de
la muestra y el electrodo.
i) Linealidad.
La linealidad de un transductor es una expresión del grado con que la
característica real de un sensor difiere de la ideal. La figura 6-3 muestra una
relación (algo exagerada) entre la característica ideal y el valor medido por el sensor.
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Figura 6-3 Error de linealidad.
La linealidad algunas veces se especifica en término de porcentaje de no
linealidad, lo cual se define como:
No linealidad (%) =
D in (max)
IN f.s.
× 100
donde:
No Linealidad (%) = porcentaje de no linealidad.
Din(max) = es la máxima desviación de entrada.
INf.s. = Valor de plena escala (fs) de la entrada.
La no linealidad frecuentemente esta sujeta a factores ambientales, tales
como temperatura, vibración, niveles de ruido acústico y humedad. Es muy
importante conocer bajo que condiciones es válida la especificación, cualquier
desviación de estas condiciones podrían generar cambios no lineales.
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j) Histéresis.
Un transductor deberá ser capaz de seguir los cambios del parámetro de
entrada independientemente de la dirección del cambio; la histéresis es la
medición de esta propiedad. La figura 6-4 muestra una curva característica típica.
Note la diferencia producida por el sentido de cambio en la entrada.
Figura 6-4 Curva de Histéresis.
k) Tiempo de respuesta.
Los sensores no cambian su valor de salida inmediatamente cuando ocurre un
cambio en el parámetro a su entrada. En lugar de eso, la salida cambiará a su
nuevo valor después de un periodo de tiempo, el cual es llamado Tiempo de
Respuesta (Tr en la Figura 6-5).
El tiempo de respuesta esta definido como el tiempo requerido para que
la salida de un sensor cambie desde un valor inicial a un valor final establecido
dentro de una banda de tolerancia.
Este concepto es diferente al concepto de constante de tiempo (T) del
sistema. La constante de tiempo esta relacionada con el tiempo que, ante una
entrada escalón, un dispositivo o sistema de primero orden tarda en llegar a un 63 %
(que en ciertos casos se aproxima a un 70%) de su valor en estado estable
(recuerde la respuesta escalón de la carga de un capacitor a través de una
resistencia).
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Figura 6-5 Tiempo de Respuesta.
La Figura 6-5 muestra dos tipos de tiempo de respuesta. En la figura 6-5a la
curva representa la respuesta en el tiempo seguida de un cambio escalón positivo
como parámetro de entrada. La forma que se muestra en la figura 6-5b es el Tiempo
de decaimiento (Td para distinguirlo de Tr , que generalmente no será el mismo) en
respuesta a un cambio escalón negativo del parámetro de entrada.
l) Linealidad Dinámica.
La linealidad dinámica del sensor es la medición de su capacidad para
seguir cambios rápidos en el parámetro de entrada en todo el rango de
operación. Las características de Distorsión de Amplitud, Distorsión de Fase y
Tiempo de Respuesta son parámetros muy importantes en la determinación de su
linealidad dinámica.
Dado un sistema de baja histéresis (algo siempre deseable), la respuesta de
amplitud puede ser representada por la siguiente función.
F(x) = ax1 + bx 2 + cx 3 + dx 4 + ........ + k
(6-2)
En la ecuación 6-2, el término F(x) es la señal de salida, en tanto que x1..n
representa la componente fundamental de entrada y sus componentes armónicas, y
k es una constante de corrimiento (offset, si existe). Las armónicas se vuelven
especialmente importantes cuando se producen armónicas por la acción del sensor y
esas armónicas (de error) caen en el mismo ancho de banda que las armónicas
producidas por el cambio dinámico del parámetro de entrada.
Todas las formas de onda continuas pueden ser representadas, mediante las
series de Fourier, en una onda senoidal fundamental y componentes armónicas. En
cualquier forma de onda no senoidal, como los cambios en el tiempo de un
parámetro físico, las armónicas registradas serán aquellas que puedan ser
detectadas por el sensor.
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6-8 TÉCNICAS Y PROCESAMIENTO DE SEÑAL PARA MEJORAR EL SENSADO.
La selección de sensores y sus circuitos (de excitación y amplificación de
señal) son parte de un largo camino para asegurar que los datos adquiridos
representarán en forma exacta al fenómeno o evento físico a ser medido y
registrado.
Para una operación apropiada ante entradas dinámicas, el sensor
seleccionado deberá tener una curva de respuesta plana, libre de distorsión en
amplitud, distorsión de fase (lo cual invariablemente causará una distorsión en
amplitud), oscilaciones y resonancias.
Una consecuencia de estos problemas es, en relación con la respuesta a la
frecuencia del sensor, el procesamiento de su señal. La figura 6-7a muestra un
sistema con respuesta a la frecuencia perfectamente lineal, en el cual la ganancia es
constante a través del espectro completo de frecuencias de CD hasta una frecuencia
infinita.
Figura 6-7Respuesta a la frecuencia (a) ideal BW = ∞ y (b) de un sistema real
(BW = pasa banda)
Pero los sistemas reales no tienen estas características. La figura 6-7b
muestra el tipo de respuesta a la frecuencia que podríamos esperar en sistemas
reales. En este ejemplo, la ganancia es plana (constante) entre dos frecuencias, y a
través de esta región el comportamiento es similar al caso ideal. Pero más allá de
estos puntos, la ganancia cae.
El punto de partida que define la región plana es, por convención,
tomada de las frecuencias (FL y FH) en las cuales la ganancia cae hasta un
70.7% de su valor en la región plana. Estos puntos son conocidos como los puntos
de -6 dB en sistemas de voltaje y -3 dB en sistemas de potencia.
Cuando la respuesta a la frecuencia no es enteramente plana, uno puede
anticipar que encontraremos distorsiones de fase. La figura 6-7c muestra la situación
en la cual el cambio de fase del sistema es función lineal de la frecuencia (línea
sólida) y aquella en la cual no es una función lineal de la frecuencia (línea punteada).
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Figura 6-7c Cambio de fase ante frecuencia (típica de un sensor).
Podemos ver el efecto de la distorsión de fase en un ejemplo muy simple de
sensado mostrado en la figura 6-8.
Figura 6-8 Efectos de no linealidades en
fase:
a) onda cuadrada de entrada.
b) retraso de propagación en sensor y
circuito ideal .
c) caída de ganancia a bajas frecuencias.
d) oscilaciones (ringing).
La figura 6-8a es la salida de un sensor
ideal en repuesta a un cambio escalón del
parámetro de entrada (que se desea medir).
Si el sensor y el procesamiento
electrónico de su señal son perfectamente
ideales, entonces el único efecto del cambio
del cambio será un desplazamiento en Tiempo
(T), como lo muestra la figura 6-8b. No habrá
distorsión de la forma de onda.
Pero ante la presencia de distorsión de
fase, la onda no solamente se desplazará en
el tiempo, sino también se distorsionará.
La figura 6-8c y 6-8d muestran dos
formas de distorsión que pueden ocurrir
debido a una no linealidad en fase.
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La Figura 6-10 muestra una vista diferente del mismo fenómeno. Considere un
sistema en el cual el ancho de banda puede ser variado a través de varios límites,
representados por las curvas a, b, y c en la figura 6-9.
Figura 6-9 Casos de ejemplo de respuesta a la frecuencia
ante diferentes anchos de banda (BW).
La curva c es la mas restrictiva ya que sus
limites de respuesta a la frecuencia indican un
ancho de banda menor; en tanto que la curva a
es la menos restrictiva (ancho de banda mayor).
Note en la figura 6-10 las respuestas presentes
ante una señal cuadrada para los 3 anchos de
banda definidos en la figura 6-9.
Así, las curvas de respuesta a la
frecuencia pueden ser inferidas al evaluar la
respuesta de filtros activos o redes RC
(resistencia-capacitor) a señales de entrada en
forma de onda cuadrada.
Figura 6-10 Respuesta a la
frecuencia para una onda
cuadrada.
Algo que podríamos asumir erróneamente, de lo citado anteriormente, es
que el diseñador del equipo de medición o instrumento deberá seleccionar
aquel amplificador con un ancho de banda tan amplio como sea posible. Ese no
es correcto debido a que el ancho de banda puede causar otro tipo de problemas, al
menos tan severos, como el que intenta resolver. El ruido, por ejemplo, es
proporcional al ancho de banda.
Al seleccionar adecuadamente los puntos de corte de respuesta a la
frecuencia es posible eliminar el problema del ruido, además de ciertos problemas en
la señal de entrada, tales como oscilación y resonancias. Así, la selección del
ancho de banda del amplificador y la característica de distorsión de fase es
una negociación entre la necesidad de tener un registro o medición de alta
fidelidad del evento de entrada y otros problemas (como ruido) que pudieran
estar presentes en el sistema.
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6-9 ELECTRODOS PARA SENSADO DE EVENTOS BIOFÍSICOS.
La Bioelectricidad es un fenómeno que ocurre en forma natural y se produce
por el hecho de que los organismos vivos contienen iones en proporciones
diferentes. El proceso de conducción iónica es diferente al de conducción de
electrones o conducción electrónica (la cual seguramente le es más familiar). La
conducción iónica consiste en la migración de iones (moléculas cargadas
positivamente o negativamente) a través de una región, en tanto que la
conducción de electrones (eléctrica) consiste en el flujo de electrones bajo la
influencia de un campo eléctrico. Cuando la concentración de iones es diferente
entre dos puntos se produce una diferencia de potencial.
Cuando tratemos con la conducción iónica a detalle, encontraremos que es un
fenómeno muy complejo con características no lineales. Pero para aplicaciones de
señales muy pequeñas, donde solo hay un muy pequeño flujo de corriente, se
considera aceptable una aproximación de primer orden en el modelado de la
corriente eléctrica entre dos puntos que presentan una diferencia de potencial.
Un químico encontraría deficiente este modelo, excepto en las clases
elementales de química, lo cual es debido a que ellos requieren una mejor
comprensión de estos fenómenos que el que requiere un especialista en
instrumentación. Mantenga en mente que en situaciones con un mayor flujo de
corriente se requeriría un modelo de orden superior.
Los bioelectrodos son una clase de sensores que convierten la
conducción iónica a conducción electrónica, de tal forma que la señal pueda ser
procesada en circuitos electrónicos.
Los bioelectrodos se utilizan frecuentemente para adquirir señales
bioeléctricas clínicamente significativas, tal como electrocardiogramas (ECG),
electroencefalogramas (EEG), y electromiografías (EMG). La mayoría de las
señales bioeléctricas son adquiridas de una de los siguientes tres formas de
electrodos: macroelectrodos de superficie, macroelectrodos internos
(indwelling) y los microeléctrodos. De estos, los primeros dos se usan
generalmente en vivo, en tanto que el último se usa en vitro.
En este apartado presentaremos la adquisición de biopotenciales con los tipos
de electrodos más frecuentemente utilizados en instrumentación biomédica.
Nuevamente, esta presentación es básica y representativa para la mayoría de los
casos; no intenta ser exhaustiva, ya que el tema es muy amplio y complejo
(actualmente existen libros completos que tratan únicamente el tema de
bioelectrodos).
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Potencial de Electrodo.
La piel y tejidos de organismos vivos superiores, tal como el ser humano, son
entes electrolíticos; así, pueden ser modelados como soluciones electrolíticas. En
algunos modelos se presenta como una solución salina, reflejando de hecho que los
seres humanos somos muy similares, en composición, al agua con sal. Imagine un
electrodo metálico inmerso en una solución electrolítica (Figura 6-11). Casi
inmediatamente después de su inmersión, el electrodo empezará a descargar
algunos iones metálicos en la solución, en tanto que los iones de la solución
empezarán a combinarse con el electrodo metálico. Esto es, por cierto, el
fenómeno químico en el cual se basan los procesos de galvanizado y anodizado.
Figura 6-11 Electrodo metálico inmerso es solución electrolítica.
Después de una breve espera, se formará un gradiente de carga,
produciendo una diferencia de potencial, llamado potencial de electrodo (Ve en
al Figura 6-11), o potencial de media celda.
Recuerde que esta diferencia de potencial puede ser producida por las
diferencias en concentración de un solo tipo de ion. Por ejemplo, si se tienen dos
iones positivos (++) en un lugar (digamos A) y tres iones positivos (+++) en otro lugar
(digamos B) entonces habrá una diferencia de potencial de 3-2=1 ion, donde el punto
B es mas positivo que el punto A. En la interfase electrodo/electrolito pueden
presentarse dos tipos de reacciones:
Una reacción de oxidación que hace metal-> electrones + iones del metal.
Una reacción de reducción que hace electrones + iones del metal -> metal.
Se presenta un fenómeno complejo en la interfase entre el electrodo metálico
y el electrolito, los iones migran hacia uno u otro lado de la región formando dos
capas paralelas de iones con carga opuesta; esta región se denomina doble capa
del electrodo (electrode double layer) y estas diferencias iónicas son la fuente
del potencial de electrodo o potencial de media celda (Ve). Así, diferentes
metales exhiben diferentes potenciales de media celda, como se muestra en la Tabla
6-1.
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Tabla 6-1 Potenciales de media celda de elementos comunes.
Por acuerdo científico internacional, el punto de referencia cero cuando
hacemos la medición de un potencial de media celda es el electrodo
hidrogeno-hidrogeno (H-H), al cual se le asigna, por convención, un potencial
de cero. Todos los otros potenciales de media celda de los demás tipos de
electrodos se miden contra la referencia cero del electrodo H-H; así, todos los
potenciales de media celda mostrados (para diferentes tipos de electrodo) es la
diferencia de potencial entre el electrodo y el electrodo de referencia H-H.
Ahora, considere lo que sucede cuando dos electrodos (llamados A y B),
hechos de materiales diferentes, están inmersos en la misma solución electrolítica
(figura 6-12).
Figura 6-12 Metales diferentes inmersos en una solución electrolítica común
producirá diferentes potenciales.
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Cada electrodo presentara su propio potencial de media celda (Vea y Veb), y si
los dos metales son realmente diferentes, los dos potenciales serán diferentes (Vea ≠
Veb), y debido a la diferencia de estos dos potenciales de media celda existirá una
diferencia de potencial neta (Ved) entre ellos que producirá una corriente de
electrones (Ie) que fluirá a través de un circuito externo. La diferencia de potencial,
frecuentemente llamada potencial de offset (corrimiento) de electrodo (electrode
offset potential) es, para el caso de bajo nivel de señal, una aproximación de primer
orden que se define como:
Ved = Vea - Veb
(6-5)
Por ejemplo, considere el caso donde un electrodo de oro (Au+) esta inmerso
en la misma solución electrolítica que un electrodo de plata (Ag-). En esta situación
Ved = Vea(Au) - Veb(Ag)
(6-6)
Ved = (+1.50 V) – (+0.80 V) = 0.70 V
(6-7)
O en el caso frecuentemente visto de cobre (Cu++) y plata (Ag+), los cuales
pueden estar, erróneamente, en circuitos electrónicos que usan cables de conexión
de cobre.
Ved = Vea(Ag) - Veb(Cu)
Ved = (+0.80 V) – (+0.34 V) = 0.46 V
(6-0)
El potencial offset del electrodo será cero cuando los dos electrodos estén
hechos de materiales idénticos, lo cual es el caso común en sensado bioeléctrico.
Así, cuando se diseñan electrodos para sensado bioeléctrico se debe prestar
especial atención a la selección de sus materiales. La selección de los
materiales, como lo haremos notar mas tarde, afectara los potenciales de offset de
media celda.
Para la combinación de los materiales existen dos categorías generales. Un
electrodo perfectamente polarizado o perfectamente no reversible es aquel en el
cual no hay transferencia neta de carga a través de la interfase metal/electrolito; en
estos electrodos, solo se presentara uno de los dos tipos de reacciones químicas
(oxidación o reducción). Por otra parte, en un electrodo perfectamente no
polarizado o perfectamente reversible existe una libre transferencia de carga entre
el metal del electrodo y el electrolito. En general, se debe seleccionar un electrodo
reversible, tal como el de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl).
Para los metales, los fluidos corporales son terriblemente corrosivos, por
lo cual no todos los materiales son indicados para sensado bioeléctrico. Por otra
parte, algunos materiales que forman electrodos reversibles (por ejemplo, zincsulfato zinc) son tóxicos para tejidos vivos y por lo que no deben utilizarse. Debido
a esto, algunos materiales como los metales oro y platino, algunas aleaciones de
tungsteno, plata-cloruro de plata, y un material llamado platino-platino negro se usan
para construir electrodos de biopotenciales.
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
En general, para uso médico y para el registro superficial de
biopotenciales, el electrodo más utilizado es el de plata-cloruro de plata. A
menos que se indique otra cosa, vamos a asumir que este material es el usado en
electrodos clínicos.
La figura 6-13 muestra por qué el electrodo de plata-cloruro de plata es el más
popular para los diseñadores de instrumentos médicos. Estos electrodos consisten
de un cuerpo de plata donde se deposita una delgada capa de cloruro de plata. El
cloruro de plata provee una doble vía para intercambio de iones de Ag+ y Cl-. Cuando
se fabrican electrodos de plata-cloruro de plata, es necesario usar en el proceso
plata espectroscopicamente pura, esta plata es 99.999 % pura que es un grado
mucho mayor a la plata utilizada en joyería (plata silversmith es 99.9 pura y la plata
Sterling es 92.5 % plata y 7.5 % cobre).
Figura 6-13 Electrodo biomédico plata-cloruro de plata
Modelo del Circuito de Electrodo.
La figura 6-14a muestra el modelo de un circuito de un electrodo biomédico de
superficie. Este modelo es aproximadamente el circuito equivalente de los electrodos
para ECG y EEG. En este circuito se utiliza un amplificador diferencial para el
procesamiento de señales, por lo que cancela el efecto del potencial de media celda
Vea y Veb.
La resistencia Rτ representa las resistencias internas del cuerpo, las cuales
son típicamente algo bajas. La señal del biopotencial es representada como un
voltaje diferencial, Vd. Las otras resistencias en el circuito representan las
resistencias de contacto de la interfase electrodo/piel. Un aspecto inesperado de la
Figura 6-14a son los valores usuales asociados con los capacitores C1A y C1B que,
aun cuando se pudiera esperar cierta capacitancia en el contacto, lo que sorprende
es que sus valores puedan llegar a ser de algunos microfaradios (generalmente se
considera un valor de 10 μF).
Cuando se usan dos o más electrodos, lo que en registro de eventos
fisiológicos es casi siempre, el voltaje diferencial entre ellos es su suma algebráica.
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
Figura 6-14 Electrodos Biomédicos.
a) Modelo de circuito para un
electrodo b) Dos electrodos
biomédicos producen una diferencia
de voltaje.
Causas de problemas de registro debido a potenciales de electrodos.
El potencial de media celda del electrodo viene a ser un serio problema
en la adquisición de señales bioeléctricas debido a la enorme diferencia entre
esos potenciales de CD y los de los biopotenciales. Un potencial de media
celda típico para un electrodo biomédico es de 1.5 V, en tanto que los
biopotenciales son mas de 1000 veces menores.
La manifestación, en la superficie de la piel, de una señal de ECG es de 1 a 2
mV, mientras que los de cabeza de un EEG son de unos 50 μV. Así, el voltaje de
media celda de un electrodo es 1500 veces mayor que el potencial pico de la señal
de un ECG y 30,000 veces mayor a la de señal de un EEG.
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
El diseñador de instrumentos deberá contar con una estrategia para superar
los efectos del potencial de corrimiento (offset) de media celda. Ya que el potencial
de media celda forma una componente de CD muy grande en comparación con el
minúsculo voltaje de señal, es necesario encontrar una técnica apropiada que utilice
una combinación de las siguientes estrategias.
1.- Para la adquisición de señal podemos usar un amplificador
diferencial de CD. Si los electrodos son idénticos, entonces los
potenciales de media celda son los mismos. Teóricamente, por lo menos,
los potenciales iguales serán vistos como potenciales de modo común y
por lo tanto cancelado en la salida. Una limitación de esta estrategia es
que la alta ganancia requerida para procesar estas señales de bajo
nivel también opera amplificando pequeñas diferencias entre los
potenciales de las dos medias celdas. Una diferencia de 1mV entre dos
medias celdas, solo 0.1 % del total, aparece como cualesquier señal de
CD de 1 mV en un amplificador ECG con ganancia de 1,000.
2.- El circuito de adquisición de señal deberá ser diseñado para proveer
una cancelación del corrimiento de voltaje y en esta forma eliminar el
potencial de media celda del electrodo. Aún cuando esta estrategia
presenta cierto atractivo, esta limitado por el hecho de que el potencial
de media celda cambia con el tiempo y con el movimiento relativo
entre la piel y el electrodo. El movimiento del electrodo puede causar
un cambio muy amplio en el corrimiento de voltaje.
3.- Podemos utilizar un acoplamiento de CA a la entrada del
amplificador. Esta estrategia permite eliminar la componente de
corrimiento de CD de la señal. Esta opción es posiblemente la más
atractiva, sobre todo cuando las variaciones del corrimiento de voltaje de
CD son sustancialmente de más bajas frecuencias que los componentes
de frecuencia de la señal. En este caso, el límite de -3 dB de respuesta a
la frecuencia puede utilizarse para fijar el nivel de atenuación a las
variaciones del corrimiento (offset) de voltaje de CD.
En algunas aplicaciones biomédicas, sin embargo, las componentes de la
señal están muy cercanas a CD. Por ejemplo, el contenido de frecuencias de una
señal de ECG está entre 0.05 a 100 Hz. En equipos de ECG se puede esperar que
el corrimiento (offset) de voltaje cambie cada vez que el paciente se mueva sobre la
cama. Para amplificadores de biopotenciales la mayoría de las veces se
seleccionan la primera y tercera opción, así se requerirá, para adquisición de
señales bioeléctricas, un amplificador diferencial con acoplamiento para CA.
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
6-10 ELECTRODOS DE SUPERFICIE.
Los electrodos de superficie son aquellos que se colocan para estar en
contacto con la piel del paciente. Dentro de esta categoría están los electrodos de
aguja, con la excepción de los utilizados para se insertados en dentro de una célula
(los cuales son llamados microelectrodos). También, existen ciertas bases para
incluir los electrodos de aguja en los electrodos internos, pero en ingeniería
biomédica generalmente no se hace esta clasificación.
Los electrodos de superficie (a excepción de los de aguja) presentan
diámetros que varían desde 0.3 hasta 0.5 cm y en algunos casos hasta 1 cm. La piel
humana tiende a tener una muy alta impedancia comparada con la de otras fuentes
de voltaje. Típicamente, la impedancia normal de la piel, vista por el electrodo,
varía desde 0.5 kΩ para piel sudorosa hasta 20 kΩ para piel seca. Problemas de
la piel, especialmente resequedad, piel escamosa, o enfermedades en la piel
producen un incremento en la impedancia en el rango de 500 kΩ.
En cualquier caso, se deberán tratar los electrodos de superficie como una
fuente de voltaje con muy alta impedancia, situación que influye en forma decisiva
en el diseño del circuito de entrada del amplificador bioeléctrico. En muchos de los
casos, la regla práctica para un amplificador de voltaje, es hacer la impedancia
del amplificador al menos 10 veces mayor a la impedancia de la fuente. Para
amplificadores de biopotenciales esto requiere una impedancia de entrada de
por lo menos 5 MΩ, valor que puede ser fácilmente alcanzado usando
amplificadores operacionales con entrada bipolar en categorías Premium, con
entradas FET (BiFET) o con entradas MOS (BiMOS).
Electrodos de Superficie Comunes.
Para la adquisición de señales biomédicas de superficie se han diseñado una
amplia variedad de electrodos. Quizás el electrodo más antiguo, utilizado
clínicamente para la medición de ECG es la variedad de correa (strap on) mostrado
en la Figura 6-15a.
Figura 6-15 Electrodos típicos de ECG.
a) Electrodos de correa (strap-on). b) Electrodo de copa de succión.
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Estos electrodos presentan áreas entre 1 y 2 pulgadas cuadradas. Mediante
correas de hule mantienen en su lugar las placas de latón. Se utiliza una pasta o gel
conductiva para reducir la impedancia entre el electrodo y la piel.
Otro tipo de electrodo de superficie es el electrodo ECG de copa de succión
que se muestra en al Figura 6-15b, el cual se utiliza como electrodo de pecho en
registros rápidos de ECG. Para registros más prolongados de ECG o para monitoreo,
tal como el monitoreo continuo de un paciente hospitalizado en una unidad de
cuidados intensivos, algunas veces se utiliza el electrodo de columna relleno de
pasta conductiva.
La Figura 6-16a muestra un esquema de un típico electrodo de columna y su
fotografía en la figura 6-16b. Este electrodo consiste de un botón metálico de
contacto hecho de plata-cloruro de plata en la parte alta de la columna, el cual se
rellena con gel o pasta conductiva. Este electrodo se mantiene en su posición
mediante un disco de hule espuma cuya superficie tiene una sustancia adhesiva.
El uso del relleno de gel o pasta conductiva en la columna, lo cual mantiene al
electrodo sin contacto directo con la superficie de la piel, reduce los artefactos de
movimiento. Por esta razón (y algunas otras, como que son desechables y de bajo
costo) los electrodos mostrados en la Figura 6-16 son preferidos en el monitoreo de
pacientes hospitalizados.
Una forma conveniente de electrodos de columna, utilizado algunas veces en
situaciones de monitoreo es el cojinete (pad) de tres electrodos, Estos cojinetes
con adhesivo, en paquete sencillo, tienen una área de entre 20 y 30 pulgadas
cuadradas y contienen tres electrodos ECG (dos electrodos para señal diferencial y
un electrodo de referencia). Proveen un medio conveniente y rápido de sujeción de
electrodos en monitoreo ECG de emergencia; en uso diagnóstico se continúa
prefiriendo los electrodos individuales de columna. El cojinete con 3 electrodos es
para uso temporal y se desecha ya que ha sido usado.
Figura 6-16 Electrodos de Columna.
a) Vista seccional b) Electrodo de columna hecho de hule.
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
Problemas con Electrodos de Superficie.
Los electrodos de superficie (de todos los tipos) producen diversos tipos de
problemas. Uno de los problemas (en el caso de los electrodos de columna) es que,
en superficies de piel húmeda o sudorosa, el adhesivo no permanece mucho
tiempo, produciendo el movimiento o desprendimiento del electrodo. Se deberá
evitar la colocación del electrodo en protuberancias óseas, por lo que generalmente
se seleccionan partes del pecho y abdomen.
Los hospitales tienen diferente protocolos para el cambio de electrodos, pero
en general, el electrodo se cambia al menos cada 24 horas (generalmente es un
tiempo menor porque pocos electrodos mantienen su sujeción durante tanto tiempo).
En ciertos hospitales los electrodos son remplazados cada 8 horas (cada cambio de
turno del personal de enfermería) y su colocación desplazada ligeramente para
prevenir irritación en la piel.
Casi todas los tipos de electrodos pueden ser usados en registros de señal de
corta duración, sin embargo, el monitoreo en períodos largos es particularmente
difícil. Uno de los problemas más significativos es el de artefactos de movimiento
que produce componentes falsos en la señal, lo cual se genera por movimientos del
paciente y consiste:
(1) de una componente eléctrica pequeña que proviene de señales
bioeléctricas en los músculos del paciente y
(2) de una componente eléctrica grande debida a cambios en la interfase
entre electrodo y piel.
El artefacto por movimiento se vuelve peor en cuanto se terminan el gel o
pasta conductiva.
En registros de corta duración los artefactos de movimientos casi no se
presentan debido a que la mayoría de los pacientes pueden estar quietos el tiempo
suficiente para que se lleve a cabo el registro. En el caso de registros de larga
duración, hechos en unidades de cuidados intensivos y coronarios, para monitoreo
continuo de las señales de ECG, este problema puede llegar a ser crítico.
La causa más común de producción de artefactos en la señal es el
deslizamiento del electrodo, esto causa un cambio abrupto del grosor de pasta
o gel, lo que se refleja como un cambio tanto de la impedancia del electrodo como
del corrimiento (offset) de voltaje en el electrodo. El efecto final es un artefacto que
distorsionará y ocultará la señal ECG real. En la mayoría de los casos el médico
reconocerá el artefacto, pues tienen la experiencia para diferenciar estos cambios de
señal de los producidos por anomalías fisiológicas. En el peor caso, un artefacto
pudiera producir una mala interpretación del contenido de información de la forma de
onda ECG.
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
Se han intentado muchas formas de resolver los problemas de artefactos de
movimiento, asegurando los electrodos en forma más firme a la piel del paciente.
Algunas veces se utiliza cinta adhesiva para mantener al electrodo en su lugar y
aún cuando pudiera resolver durante un cierto tiempo, invariablemente los electrodos
se aflojan en 1 o 2 horas volviéndose a presentar el problema.
Otra solución que se ha intentado es el uso de un electrodo de superficie
con pequeños picos que permitan una mejor adherencia a la superficie de la
piel. Aunque presentan la desventaja de no ser confortables para el paciente y que
no resuelven el problema completamente.
Los artefactos de movimiento son particularmente severos durante
exámenes ECG de prueba de esfuerzo. El paciente tiene que caminar en una
banda mientras se monitorea o registra la señal de ECG. El electrodo de columna
funciona bastante bien evitando artefactos de movimiento, pero aún así, es
necesario limpiar y raspar ligeramente el sitio de la piel donde estará colocado el
electrodo.
Electrodos de Aguja.
Los electrodos de superficie presentados anteriormente se consideran
como no invasivos, esto es, se adhieren a la piel sin penetrarla. La figura 6-17
muestra un electrodo de aguja.
Figura 6-17 Electrodo de aguja para ECG
Este tipo de electrodo de ECG se inserta en el tejido que se encuentra
inmediatamente debajo de la piel, perforando la piel en un ángulo oblicuo (casi
horizontal con respecto a la superficie de la piel). El electrodo de aguja se utiliza
exclusivamente en casos de problemas graves en la piel (quemaduras, infecciones,
etc), especialmente en pacientes anestesiados. Los electrodos de aguja son
generalmente desechables y en los casos de reutilización se deben esterilizar con
gas oxido etileno.
Electrodos Internos.
Los electrodos internos son insertados dentro del cuerpo humano. No se
deberán confundir con los electrodos de aguja, los cuales están diseñados para
insertarse dentro de las capas superficiales internas de la piel. El electrodo interno es
típicamente un catéter aislado delgado y largo, con un contacto metálico expuesto al
final (Figura 6-18).
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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2
Figura 6-18 Electrodos Internos.
Para
su
aplicación,
el
electrodo es conducido a través de
una vena del paciente (usualmente
del brazo derecho) hacia el lado
derecho del corazón para registrar las
formas
de
onda
ECG
intracardiovasculares. Solo con los
electrodos internos es posible registrar
señales de muy baja amplitud y alta
frecuencia, como las presentes en el
haz de His.
Electrodos EEG.
El cerebro produce señales bioeléctricas que pueden ser captadas por
electrodos de superficie adheridos a la piel en la cabeza. Estos electrodos se
conectan a un amplificador EEG que envía su señal de salida a un osciloscopio o
algún equipo de registro de señales.
El electrodo de EEG puede ser de aguja, como el mostrado en la Figura 6-17,
pero en la mayoría de los casos, es un disco cóncavo de 1 cm. de diámetro hecho de
oro o plata. El electrodo de disco se mantiene en su lugar mediante una capa de
pasta altamente conductiva, o en ciertas aplicaciones de monitoreo, mediante una
media máscara colocada en la cabeza.
6-11 MICROELECTRODOS.
El microelectrodo es un dispositivo ultra fino que se usa para la
medición de biopotenciales a nivel celular (Figura 6-19).
Figura 6-19 Microelectrodo
utilizado para medir potenciales
celulares.
En la práctica, el microelectrodo penetra a la célula que esta inmersa en un
fluido (solución fisiológica salina), la cual esta conectada al electrodo de referencia.
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Existen muchos tipos de microelectrodos, la mayoría de ellos presentan una
de 2 formas básicas: vidrio-metal o lleno de fluido. En ambos casos, una superficie
de contacto expuesta de alrededor de 1 a 2 μm (1 µm = 1 x 10-6 m) esta en contacto
con la célula. Como pudiera esperarse, esto hace que el microelectrodo sea un
dispositivo de muy alta impedancia.
La figura 6-20 muestra la construcción de un típico microelectrodo vidriometal. Un alambre muy fino de platino o tungsteno se desliza a través de un
tubo de vidrio de 1.5 a 2 mm. La punta se forma aplicando fuego y estirando el
tubo, finalmente se corta. Posteriormente el electrodo se conecta a una de las
entradas del amplificador de señal.
Existen dos subcategorías de
este tipo de electrodo. En una, el
alambre de tungsteno o platino llega
hasta la punta, mientras en el otro
tipo, una delgada capa de vidrio
cubre el punto metálico. Esta capa de
vidrio es tan delgada que se mide en
unidades de Amstrongs (1 x 10-10 m) e
incrementa
dramáticamente
la
impedancia de este dispositivo.
La Figura 6-21 muestra los
microeléctrodos rellenos de fluido. En
este tipo, la pipeta de vidrio esta llena
con una solución 3M de cloruro de
potasio (KCl), y el extremo contrario a
la punta es sellada con un tapón de
plata-cloruro de plata. El extremo de la
punta no necesita ser sellado ya que
la apertura de 1 μm es tan pequeña
que retiene al fluido.
El electrodo de referencia
también se llena de 3M KCl, pero es
mucho mayor que el microelectrodo. En
un extremo tiene un tapón de platino,
mientras que en el extremo opuesto se
coloca un tapón de plata-cloruro de
plata.
Figura 6-20 Microelectrodo de
vidrio-metal
La figura 6-22 muestra un circuito equivalente simplificado de un
microelectrodo (el cual asume despreciable la contribución del electrodo de
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ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES
referencia). Un análisis de este circuito revela el problema de adquisición de señal
producida por los componentes RC. La resistencia R1 y el capacitor C1 son el
resultado del efecto de la interfase electrodo/célula y son (sorpresivamente)
dependientes de la frecuencia. Estos valores caen a un valor despreciable con una
pendiente de 1/(2πF)2 y son considerablemente menores que Rs y C2.
Figura 6-21 Microelectrodo lleno
de fluido.
Figura 6-22 Circuito equivalente
del microelectrodo.
La resistencia Rs, en la Figura 6-22, es la resistencia de difusión del
electrodo y esta en función del diámetro de la punta. El valor de Rs en
microelectrodo metálico sin recubrimiento de vidrio puede aproximarse como:
Rs =
P
4πr
(6-9)
donde:
Rs es la resistencia en ohms (Ω)
P es la resistividad de la solución fuera del electrodo (por ejemplo, 70 Ω-cm
para solución salina fisiológica)
r es el radio de la punta (típicamente 0.5 μm para un electrodo de 1 µm).
Asumiendo los valores anteriormente mencionados, calcular la resistencia de
difusión para un microelectrodo de 1 μm.
Rs =
P
=
4πr
70 Ω-cm
⎛
⎛ 10-4 cm ⎞ ⎞
(4 π) ⎜ (0.5 μ m x ⎜
⎟⎟
⎝ 1 μm ⎠ ⎠
⎝
= 111.4 kΩ
La impedancia del microelectrodo metálico con cubierta de vidrio es al menos
uno o dos órdenes de magnitud mayor que esta cifra.
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ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES
¿Cómo estos valores afectan el comportamiento del microelectrodo? La
resistencia Rs y el capacitor C2 operan juntas como un filtro pasa bajo RC. Por
ejemplo, un microelectrodo de cloruro de potasio inmerso en 3 cm de solución
fisiológica salina tiene una capacitancia de aproximadamente 23 pF. Suponga que
esta conectada a la entrada de un amplificador (15 pF) a través de 3 pies de cable
coaxial de diámetro pequeño (27 pF/ft, o 81 pF), la capacitancia total es (23 + 15 +
81)pF = 119 pF. Teniendo una resistencia de 13.5 MΩ, la respuesta a la frecuencia (
el punto de -3dB) es:
F=
1
2πRC
(6-14)
Donde:
F es la frecuencia de -3dB en hertz (Hz)
R es la resistencia en ohms (Ω)
C es la capacitancia en Faradios (F)
________________________________________________
Ejemplo
Para C = 119 pF (1.19 × 10-10 faradios) y R = 1.35 × 107 Ω, encuentre la
respuesta a la frecuencia superior (punto de -3dB).
Solución.
F=
1
= 99 Hz ≈ 100 Hz
(2) (3.14) (1.35×107 Ω) (1.19 ×10-10 f)
Claramente una respuesta a la frecuencia de 100 Hz, con una atenuación de
-6dB/octava arriba de 100 Hz, resulta en severos redondeos (suaviza) de los
potenciales de acción de rápido crecimiento. El diseñador deberá encontrar una
estrategia para contrarrestar los efectos de la capacitancia en estos electrodos de
alta impedancia.
6-12 CUESTIONARIO.
1.- ¿Qué es un transductor?
Un transductor es un dispositivo que convierte alguna forma de energía,
producida por un estímulo físico, en una señal eléctrica analógica proporcional al
valor o magnitud del estímulo.
2.- ¿Qué es una propiedad de transducción?
Una propiedad de transducción es una característica del evento físico que es,
en forma singular (esa característica se presenta en ese evento físico y no en otros
eventos cercanos), capaz de representar ese evento y que puede ser transformada,
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ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES
mediante algún dispositivo o proceso (principio de transducción), en una señal
eléctrica.
3.- ¿Qué es un principio de transducción?
El principio de transducción es el proceso de convertir la propiedad de
transducción en una señal eléctrica que pueda ser enviada a la entrada de un
instrumento de medición.
4.- ¿Qué diferencia hay entre un sensor activo y uno pasivo?
Un sensor activo requiere la alimentación de una fuente de poder de CA o CD.
Un sensor pasivo, a diferencia de uno activo, produce su propia energía o utiliza la
energía del fenómeno que esta siendo medido.
5.- ¿Cuáles son las 5 categorías básicas de error?
Los sensores, como muchos otros dispositivos muestran cierto error. Siendo
consistente, el error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor
verdadero. Como esta fuera del alcance de este tema presentar el rango completo
de posibles errores, se dividirán en cinco categorías básicas de error: de inserción,
de aplicación, característicos, dinámicos y de medio ambiente.
6.- ¿Cuándo se presentan los errores de Inserción?
Este tipo de error ocurre cuando se inserta el sensor dentro del sistema que
esta bajo medición.
7.- ¿Cuál es la primera regla de la instrumentación y quien la formuló?
En el siglo XIX Lord Kelvin formuló la primera regla de la instrumentación: El
instrumento de medición no deberá alterar el evento que esta siendo medido.
8.- ¿Quién produce los errores de aplicación?
Estos errores son causados por el operador o quién realiza la medición,
9.- Cuales son los errores característicos?
Estos errores son, en si mismos, inherentes al dispositivo, por ejemplo
debidos a la diferencia entre las características ideales (función de transferencia)
publicadas por el fabricante y las características reales del dispositivo. Esta forma de
error pudiera ser agregar un valor de corrimiento de CD (DC offset), una pendiente
(ganancia) incorrecta o una pendiente no perfectamente lineal.
10.- ¿Cuándo se producen los errores dinámicos?
Producidos por la incapacidad del transductor de seguir cambios rápidos en
su entrada.
11.- Defina posibles causas de errores del medio ambiente.
Estos errores están producidos por el ambiente en el cual se usa el sensor.
Estos errores pueden ser producidos por la temperatura ambiente, vibración, golpes,
altitud, exposición a sustancias químicas, etc.
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ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES
12.- Defina Sensitividad.
La sensitividad del sensor se define como la pendiente de la curva
característica de salida a entrada.
13.- ¿Qué es el error de sensitividad?
El error de sensitividad es la desviación en relación a la pendiente de la
característica ideal de salida a entrada.
14.- ¿A que se refiere el concepto de Precisión?
El concepto de precisión se refiere al grado de reproducibilidad de una
medición.
15.- ¿A que se refiere el término resolución?
Esta especificación es el cambio incremental más pequeño del parámetro de
entrada que puede ser detectado en la señal de salida.
16.- ¿A que se refiere el concepto de Exactitud?
La exactitud de un sensor es la diferencia máxima que existe entre el valor
real o verdadero (medido por un patrón estándar primario o uno secundario de buena
calidad) y el indicado a la salida del sensor.
17.- ¿A que se refiere el concepto de Corrimiento (Offset)?
El error de corrimiento (offset) de un sensor o transductor se define como la
magnitud de la señal de salida que existe cuando debiera ser cero.
18.- ¿A que se refiere el concepto de Linealidad?
La linealidad de un transductor es una expresión del grado con que la
característica real de un sensor difiere de la ideal.
19.- ¿A que se refiere el término Histéresis?
Un transductor deberá ser capaz de seguir los cambios del parámetro de
entrada independientemente de la dirección del cambio; la histéresis es la medición
de esta propiedad.
20.- ¿A que se refiere el término de Tiempo de respuesta?
El tiempo de respuesta esta definido como el tiempo requerido para que la
salida de un sensor cambie desde un valor inicial a un valor final establecido dentro
de una banda de tolerancia.
21.- ¿Qué desventaja tiene operar con un ancho de banda muy amplio?
El ruido, por ejemplo, es proporcional al ancho de banda, así a mayor ancho
de banda se tendrá mayor interferencia de ruido.
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ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES
22.- ¿Cuáles son los 2 criterios a considerar en la selección del ancho de
banda de un amplificador?
La selección del ancho de banda del amplificador y la característica de
distorsión de fase es una negociación entre la necesidad de tener un registro o
medición de alta fidelidad del evento de entrada y otros problemas (como ruido) que
pudieran estar presentes en el sistema.
23.- ¿Qué tipo de sensores son los bioelectrodos?
Los bioelectrodos son una clase de sensores que convierten la conducción
iónica a conducción electrónica, de tal forma que la señal pueda ser procesada en
circuitos electrónicos.
24.- ¿Cuales son las 3 formas en que se adquieren la mayoría de las
señales bioeléctricas?
La mayoría de las señales bioeléctricas son adquiridas de una de los
siguientes tres formas de electrodos: macroelectrodos de superficie, macroelectrodos
internos (indwelling) y los microeléctrodos.
25.- ¿Cuál es el punto de referencia cero en mediciones de potenciales
de media celda y que potencial se le asigna?
El punto de referencia cero cuando hacemos la medición de un potencial de media
celda es el electrodo hidrogeno-hidrogeno (H-H), al cual se le asigna, por
convención, un potencial de cero.
26.- Para registro superficial de biopotenciales de uso médico, ¿Cuál es
el tipo de electrodo más utilizado?
En general, para uso médico y para el registro superficial de biopotenciales, el
electrodo más utilizado es el de plata-cloruro de plata.
27.- ¿Cuáles son las 3 formas en que se resuelven los e problemas de
registro debido a potenciales de electrodos?.
1.- Para la adquisición de señal podemos usar un amplificador diferencial
de CD.
2.- El circuito de adquisición de señal deberá ser diseñado para proveer
una cancelación del corrimiento de voltaje.
3.- Podemos utilizar un acoplamiento de CA a la entrada del amplificador.
28.- ¿Qué rango de impedancia normal presenta la piel vista por un
electrodo bioeléctrico?
Típicamente, la impedancia normal de la piel, vista por el electrodo, varía
desde 0.5 kΩ para piel sudorosa hasta 20 kΩ para piel seca.
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ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES
29.- ¿Qué regla práctica podemos aplicar para seleccionar la impedancia
de entrada de un amplificador en relación a la impedancia de la fuente?
En muchos de los casos, la regla práctica para un amplificador de voltaje, es
hacer la impedancia del amplificador al menos 10 veces mayor a la impedancia de la
fuente.
30.- ¿En qué consisten los artefactos de movimiento que producen
distorsión el registro de señales bioeléctricas?
Uno de los problemas más significativos es el de artefactos de movimiento que
produce componentes falsos en la señal, lo cual se genera por movimientos del
paciente y consiste:
(1) de una componente eléctrica pequeña que proviene de señales
bioeléctricas en los músculos del paciente y
(2) de una componente eléctrica grande debida a cambios en la interfase
entre electrodo y piel.
31.- ¿En que forma se aplican los Electrodos de Aguja y en que casos se
utiliza este tipo de electrodo?
Este tipo de electrodo de ECG se inserta en el tejido que se encuentra
inmediatamente debajo de la piel, perforando la piel en un ángulo oblicuo (casi
horizontal con respecto a la superficie de la piel). El electrodo de aguja se utiliza
exclusivamente en casos de problemas graves en la piel (quemaduras, infecciones,
etc), especialmente en pacientes anestesiados.
32.- ¿Cómo son y cómo se aplican los electrodos internos?
El electrodo interno es típicamente un catéter aislado delgado y largo, con un
contacto metálico expuesto al final. Para su aplicación, el electrodo es conducido a
través de una vena del paciente (usualmente del brazo derecho) hacia el lado
derecho del corazón para registrar las formas de onda ECG intracardiovasculares.
33.- ¿Qué es un microelectrodo y para que se utiliza?
El microelectrodo es un dispositivo ultra fino que se usa para la medición de
biopotenciales a nivel celular.
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