INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICA (29694)

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INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICA
Se denomina instrumento a cualquier dispositivo empleado para medir, convertir, registrar
y/o transmitir el valor de una magnitud que se desea observar. La instrumentación desde
este punto de vista puede considerarse como la ciencia y tecnología del diseño y utilización
de los instrumentos. La instrumentación biomédica trata sobre los instrumentos empleados
para obtener información al aplicar energía a los seres vivos, y también a los destinados a
ofrecer una ayuda funcional o a la sustitución de funciones fisiológicas. Existen equipos o
instrumentos para:
1. Diagnóstico: determinan signos físicos o enfermedades sin alternación de la estructura y
función del sistema biológico. Ej: instrumento de procesamiento de imágenes por secciones
computarizada.
2. Monitorización: determinan cambios de un parámetro fisiológico durante un periodo de
tiempo. Ej: Monitorización de los latidos del corazón en pacientes en cuidados intensivos.
3. Terapéuticos: producen cambios estructurales o funcionales que llevan a una mejora del
paciente. Ej: aceleradores lineales para el tratamiento del cáncer.
4. Asistencia: restauran una función del cuerpo humano. Ej: marcapasos o audífonos
Las mediciones biomédicas son registros espaciales, temporales o espacio-temporales de
eventos tales como el latido del corazón o la contracción de un músculo. La actividad
eléctrica, química o mecánica que ocurre durante estos eventos biológicos frecuentemente
produce señales que pueden ser medidas y analizadas. En consecuencia las mediciones
biomédicas contienen información que puede ser utilizada para explicar los mecanismos
fisiológicos subyacentes en un evento o un sistema biológico específico.
1. ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICO.
Todos los equipos o sistemas de instrumentación biomédica tienen un diagrama de bloques
similar al de la figura. Los elementos mostrados por líneas discontinuas no son esenciales.
La principal diferencia entre los sistemas de instrumentación biomédica y cualquier otro
sistema de instrumentación convencional radica en que la fuente de las señales suelen ser
seres vivos o energía aplicada a estos seres o tejidos vivos.
Los principales bloques que componen un sistema de instrumentación biomédica son:
CONTROL
MEDIDA
SENSOR
CALIBRADO
ACONDICIONAMIENTO
DE SEÑAL
DISPOSITIVO DE
SALIDA
TRANSMISIÓN Y/O
ALMACENAMIENTO
DE DATOS
1.1 MEDIDA
Es la magnitud física, propiedad o condición que el sistema mide. La accesibilidad a la
medida es un parámetro a tener en cuenta ya que esta puede ser interna (presión de la
sangre), puede medirse en la superficie del cuerpo (potenciales extracelulares como el
electrocardiograma), puede emanar del cuerpo (radiaciones infrarrojas) o puede salir o
derivarse de una muestra de tejido del cuerpo (sangre o una biopsia).
1.2 SENSOR
En la instrumentación biomédica es de vital importancia el desarrollo, implementación y
operación de los sensores biomédicos o biosensores los cuales toman señales que
representan variables biomédicas y las convierten en señales eléctricas. Los sensores
biomédicos sirven como una interfaz entre los sistemas biológico y electrónico y deben
funcionar de manera tal que no afecten adversamente a ninguno de estos sistemas. Al
considerar los sensores biomédicos es necesario considerar las dos partes de la interfaz: la
biológica y la electrónica, debido a que ambos factores, el biológico y el electrónico, juegan
un importante papel en el funcionamiento del sensor.
Normalmente el término “transductor” se emplea para definir a aquellos dispositivos que
convierten una forma de energía en otra. El término “sensor” se emplea para los
dispositivos que convierten una medida física en una señal eléctrica. El sensor sólo debería
responder a la forma de energía presente en la medida que se desea realizar y excluir las
demás. Además debe poseer una interfaz con el tejido o sistema vivo de forma que no
interfiera en éste, debe de minimizar la energía extraída y ser lo menos invasivo posible.
Diferentes tipos de sensores pueden ser usados en aplicaciones biomédicas. Es posible
clasificar los sensores según la cantidad medida en:
1.2.1 SENSORES FÍSICOS Y QUÍMICOS.
Los sensores físicos son utilizados para las medidas de variables tales como las geométricas,
mecánicas, ópticas, térmicas e hidráulicas. En aplicaciones biomédicas estas pueden incluir:
el desplazamiento de un músculo, la presión sanguínea, temperatura corporal, flujo
sanguíneo, presión del fluido cerebro-espinal o crecimiento de un hueso. Los sensores de
fenómenos eléctricos en el cuerpo, usualmente conocidos como electrodos, los que juegan
un papel especial como resultado de sus aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico. Los
más familiares de estos sensores son los que se emplean para obtener los
electrocardiogramas. Los sensores ópticos son el otro tipo de sensor que encuentra muchas
aplicaciones en biología y medicina. Estos sensores pueden usar la luz para recolectar
información, y en el caso de los sensores de fibra óptica, la luz es el medio de transmisión
de la señal.
Los sensores químicos identifican, por ejemplo, la presencia de determinados compuestos
químicos, detectando la concentración de varias especies químicas, y monitorizando la
actividad química en el cuerpo por motivos terapéuticos o de diagnóstico. Una de las
posibles clasificaciones de los sensores biomédicos son los gaseosos, electroquímicos y
fotométricos los cuales se basa en los métodos utilizados para detectar los compuestos
químicos que son medidos.
La composición química de una fase gaseosa puede ser medida usando varias técnicas, y
estos métodos son especialmente útiles en las mediciones biomédicas asociadas al sistema
pulmonar. Los sensores electroquímicos miden concentraciones químicas, o más
precisamente, actividades basadas en reacciones químicas que interactúan con sistemas
eléctricos. Los sensores químicos fotométricos son dispositivos ópticos que detectan
concentraciones químicas basándose en los cambios en la transmisión, reflexión o color de
la luz. Otro tipo de sensores químico físicos, como los espectrómetros de masa, usan varios
métodos físicos para detectar y cuantificar sustancias bioquímicas.
Se clasifican también, los sensores según su aporte de energía en:
1.2.2 SENSORES GENERADORES Y MODULADORES.
Los sensores generadores producen una señal de salida directamente de la señal medida,
mientras que los moduladores utilizan la medida obtenida para variar el flujo de energía de
una fuente externa de forma que varía la salida del sensor. Por ejemplo, una célula
fotovoltaica es un sensor generador puesto que proporciona una tensión relacionada con la
radiación luminosa recibida, sin embargo, una célula fotoconductiva es un sensor
modulador ya que para medir los cambios de su resistencia en función de la radiación
recibida debe aplicarse una energía externa (tensión) al sensor.
También se puede mirar a los sensores desde el punto de vista de cómo son aplicados al
paciente o sujeto investigado. Según la interconexión sensor-sujeto tenemos:
No invasivos sin contacto con la superficie de la piel.
No invasivos en contacto con la superficie de la piel.
Mínimamente invasivos
Implantes, invasivos
De primero aparece el método que implica la menor interacción del objeto biológico
estudiado, mientras que el último de los cuatro, implica la mayor interacción.
1.3 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL
Normalmente, la señal obtenida del sensor no puede aplicarse directamente al dispositivo
de salida (pantalla, display, papel, etc). Un acondicionamiento de señal simple puede
amplificar, filtrar y adaptar la impedancia del sensor a la salida. A menudo, las señales de
salida de los sensores se digitalizan y se procesan utilizando ordenadores o sistemas
basados en microcontroladores. Por ejemplo, para compensar los errores de medida
debidos a posibles ruidos aleatorios puede realizarse un promediado de esta señal.
1.4 DISPOSITIVO DE SALIDA
El resultado del proceso de medida puede mostrarse de diferentes formas, pero es
conveniente que estos resultados se muestren de la forma más sencilla y cómoda de
interpretar por parte del operador humano. En función del tipo de medida y cómo el
operador humano va a utilizarla, los resultados pueden representarse por medio gráficos o
datos numéricos, de forma continua o discreta, de manera temporal o permanente.
Aunque la mayoría de los dispositivos de salida dan una información visual, existen equipos
que pueden generar otro tipo de informaciones (pitidos, diferentes sonidos, etc.).
1.5 ELEMENTOS AUXILIARES
Existen diferentes elementos auxiliares que pueden implementar en el equipo de medida.
Puede utilizarse una señal para calibrar los resultados. Puede introducirse realimentaciones
de las señales de salida para controlar diferentes aspectos del equipo, el control pueden ser
automático o manual. Los datos pueden almacenarse en memorias en función de las
condiciones de trabajo. Existen sistemas de seguridad que alertan ante posibles riesgos por
parte del sujeto. También pueden existir equipos de telemetría que envían datos a
terminales remotos para su posterior procesamiento.
2. CARACTERISTICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICA.
La fuente de las señales medidas con la instrumentación biomédica son los tejidos vivos o
energía aplicada a éstos. Esta circunstancia condiciona los métodos de medida aplicables y
los sensores o transductores a utilizar. Para ello deben cumplirse los siguientes requisitos:
a. La acción de medir no debe alterar la magnitud medida. Dicha alteración puede
producirse como resultado de una interacción física (directa), bioquímica, fisiológica o
psicológica. Lo ideal sería que las medidas se realizasen de una forma no invasiva sin
contacto pero esto no es posible en todos los casos. Además, el solo conocimiento de que
se está realizando una medida puede provocar reacciones en el paciente que distorsionan
completamente los resultados.
b. Hay que garantizar la seguridad del paciente. La acción de medir no debe poner en
peligro innecesariamente la vida del paciente. Ante la inaccesibilidad de muchas medidas
se recurre a medidas indirectas en las cuales se sensa otra magnitud relacionada con la
deseada (por ejemplo, para medir la presión sanguínea suele sensarse la variación de
volumen de un miembro cuando los atraviesa la sangre). Si la variable medida es el
resultado de aporte de energía al tejido vivo, hay que respetar los límites aceptados como
seguros. La seguridad también exige que los sensores sean de fácil esterilización o de “usar
y tirar” y no posean recubrimientos agresivos que puedan provocar reacciones al entrar en
contacto con el paciente.
c. Considerando el entorno de trabajo donde se van a ubicar los equipos, éstos deben ser
robustos, fiables y de fácil calibración.
Otra característica que diferencia a la instrumentación biomédica de la industrial es que las
variables biomédicas rara vez son determinísticas (señal en la cual cada valor esta fijo y
puede ser determinada por una expresión matemática, regla o tabla) y éstas varían
enormemente de unas personas a otras. También es habitual, que en una medida de una
señal biológica influyan otras señales que constituyen una interferencia (estas
interferencias pueden deberse a otras variables fisiológicas o propias del equipo de
medida). Su supresión es uno de los objetivos fundamentales en el diseño de un sistema de
medida utilizándose para ello las técnicas habituales en instrumentación. Se puede
minimizar estas señales no deseadas, seleccionando adecuadamente el modo de
adquisición de los datos del sistema, los cuales se clasifican en:
2.1 MODO DE ADQUISICIÓN DIRECTO-INDIRECTO.
A menudo, la medida de la magnitud deseada puede obtenerse directamente por el sensor
puesto que ésta es accesible. Este modo de adquisición se denomina modo directo. Cuando
la medida no es accesible, se utiliza el modo indirecto que se basa en obtener medidas
relacionadas con la deseada. Como ejemplo de medida directa puede citarse el registro del
electrocardiograma por medio de electrodos superficiales y como medida indirecta el
volumen de sangre por minuto que bombea el corazón.
2.2 MODO DE ADQUISICIÓN CONTINUO-MUESTREADO.
Algunas medidas, como por ejemplo, la temperatura corporal o la concentración de iones,
varían lentamente en el tiempo, de forma que pueden adquirirse o muestrearse a
intervalos grandes de tiempo. Otras magnitudes o medidas, como el electrocardiograma o
flujo sanguíneo requieren una monitorización continua. Por lo tanto, la frecuencia de la
señal que se desea medir, el objetivo de la medida, el estado del paciente influyen en el
diseño del sistema de adquisición de datos.
2.3 MODO DE ADQUISICIÓN ANALÓGICO Y DIGITAL.
Las señales que transportan la información medida pueden ser analógicas (señal continua
que puede tomar cualquier valor dentro de un rango) o digitales (sólo puede tomar un
numero finito de valores dentro del rango). Normalmente los sensores funcionan en modo
analógico aunque también existe el modo digital. En los últimos años, ha aumentado el uso
de sistemas que trabajan el modo digital (ordenadores) con lo que se utilizan conversores
analógico-digital y digital-analógico como interfaces entre los sensores y dispositivos de
salida analógicos y los procesadores digitales. Las ventajas del modo digital incluyen mayor
precisión, repetitibilidad, fiabilidad e inmunidad a ruidos. Los dispositivos de salida digitales
se van imponiendo a los analógicos, si bien en muchas aplicaciones se prefieren los
analógicos cuando hay que determinar si la variable medida está dentro de unos límites y
ésta varía rápidamente como el latido del corazón. En este caso, la representación digital
cambia los números tan rápidamente que no pueden casi apreciarse.
2.4 MODO DE TRABAJO EN TIEMPO REAL - TIEMPO RETARDADO.
Los sensores deben adquirir las señales en tiempo real. La salida de los sistemas de salida
puede no mostrar los resultados inmediatamente puesto que se puede requerir diferentes
procesados o transformaciones para obtenerlos. A menudo, estos retardos en presentar los
resultados pueden admitirse a no ser que se requiera una realimentación o control urgente
de una tarea en función de la salida.
3. SEÑALES BIOMÉDICAS.
Las señales biomédicas se utilizan fundamentalmente para extraer información del sistema
biológico bajo estudio.
El proceso completo de extracción de la información puede ser tan sencillo como la
estimación de la frecuencia cardiaca media de un paciente a través del "pulso" o tan
complejo como el análisis de la estructura interna de los tejidos blandos mediante un
sofisticado equipo de tomografía computarizada o resonancia magnética.
La definición de "señal biomédica" es muy amplia. Para un análisis estructurado de este
tipo de señales se puede emplear la siguiente clasificación:
3.1. SEÑALES DE BIOIMPEDANCIA
La impedancia eléctrica de los tejidos contiene información importante sobre su
composición, volumen y distribución sanguínea, actividad endocrina, actividad del sistema
nervioso autónomo, y más.
La señal de bioimpedancia se genera usualmente inyectando en el tejido bajo prueba
corrientes senoidales (frecuencias entre 50 KHz y 1 MHz, y corrientes de 20 uA a 20 mA). El
rango de frecuencia se utiliza para minimizar los problemas de polarización de los
electrodos, lo cual produciría migración neta de iones de carga opuesta hacia los mismos.
Se utilizan bajas densidades de corriente para evitar daños a los tejidos, principalmente
debido a los efectos de calentamiento.
Las mediciones de bioimpedancia se realizan generalmente con 4 electrodos. Dos de ellos
se conectan a una fuente de corriente y sirven para inyectar la corriente eléctrica en el
tejido. Los dos electrodos de medición se ubican sobre el tejido en investigación y se
utilizan para medir la caída de tensión generada por la corriente y la impedancia del tejido.
3.2. SEÑALES BIOACÚSTICAS
Muchos fenómenos biomédicos generan ruido acústico. La medición de este provee
información acerca del fenómeno que lo produce. El flujo de sangre en el corazón o a
través de las válvulas cardiacas genera sonidos típicos. El flujo de aire a través de las vías
aéreas superiores e inferiores también produce ruidos acústicos. Estos sonidos, conocidos
como tos, ronquidos y sonidos pulmonares se utilizan extensivamente en medicina.
También se ha observado que la contracción muscular produce sonidos (ruido muscular);
como la energía acústica se propaga a través del medio biológico, la señal bioacústica se
puede adquirir desde la superficie utilizando transductores acústicos (micrófonos y
acelerómetros).
3.3. SEÑALES BIOMAGNÉTICAS
Varios órganos, como el cerebro, el corazón y los pulmones, producen campos magnéticos
extremadamente débiles. La medición de tales campos provee información no incluida en
otras bioseñales. Debido al bajo nivel de los campos magnéticos que se tienen que medir,
deben tomarse precauciones extremas en el diseño del sistema de adquisición de estas
señales.
3.4. SEÑALES BIOMECÁNICAS
El término "señales Biomecánicas" incluye todas las señales utilizadas en los campos de la
biomedicina que se originan de alguna función mecánica del sistema biológico. Estas
señales incluyen aquellas producidas por la locomoción y el desplazamiento, las señales de
flujo y presión.
La medición de las señales biomecánicas requiere una gran variedad de transductores, no
siempre sencillos y económicos. El fenómeno mecánico no se propaga, como lo hacen los
campos magnéticos y eléctricos y las ondas acústicas. Por lo tanto, la medición se tiene que
realizar usualmente en el sitio exacto donde se origina. Esto a menudo complica la
medición.
3.5. SEÑALES BIOQUÍMICAS
Las señales bioquímicas son el resultado de mediciones químicas de los tejidos vivos o de
muestras analizadas en el laboratorio clínico. Un ejemplo de este tipo de señal es la
medición de la concentración de iones dentro y en las vecindades de una célula, por medio
de electrodos específicos para cada ion.
La concentración de oxigeno y de bióxido de carbono en la sangre o en el sistema
respiratorio son otros ejemplos. Las señales bioquímicas son por lo general de muy baja
frecuencia.
3.6. SEÑALES BIOÓPTICAS
Las señales bioópticas son el resultado de funciones ópticas de los sistemas biológicos que
ocurren naturalmente o inducidas para la 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 fibra
óptica ha abierto un amplio espectro de estudios de señales bioópticas.
3.7. SEÑALES BIOELÉCTRICAS
La señal bioeléctrica es propia de los sistemas biológicos. Su fuente es el potencial
transmembrana, el cual ante ciertas condiciones puede variar para generar una diferencia
de potencial (potencial de acción).
En mediciones sobre células aisladas, donde se utilizan microelectrodos como
transductores, el potencial de acción es en si mismo la señal biomédica. En mediciones
sobre grandes grupos celulares, donde, por ejemplo, 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 bioeléctrica.
Las señales bioeléctricas también conocida como biopotenciales o potenciales
bioeléctricos, se define como la propiedad o condición eléctrica que se puede medir entre
dos puntos en células vivientes, tejidos y/o organismos. Generalmente se usa electrodos
para medir los potenciales bioeléctricos del cuerpo humano, los cuales son indeterminados.
En este tipo de señales las magnitudes varían con el tiempo y los valores de la misma
medida pueden variar enormemente entre diferentes individuos aunque estos estén sanos
y las condiciones de medición sean las mismas.
Los sistemas biológicos frecuentemente tienen actividad eléctrica asociada a ellos. Esta
actividad puede ser un campo eléctrico constante, un flujo constante de partículas
portadoras de carga o corriente, o un campo eléctrico o una corriente variables en el
tiempo relacionados con determinado fenómeno biológico o bioquímico dependiente del
tiempo.
Los fenómenos bioeléctricos están asociados a la distribución de los iones o moléculas
cargadas en una estructura biológica y los cambios en la distribución como resultado de
procesos específicos. Estos cambios pueden ocurrir como consecuencia de una reacción
bioquímica, o pueden emanar de fenómenos que alteran la anatomía local. Existen toda
una serie de señales de especial importancia para el diagnóstico y comprensión de los
sistemas biológicos.
Los potenciales eléctricos en el cuerpo humano son encontrados en los nervios, músculos, y
en todos los órganos. Ellos son mantenidos por diferencias de concentración de iones
dentro y fuera de la célula. Algunas de las siguientes clases de potenciales pueden ser
medidos en la superficie de la piel:
ERG Electrorretinograma: Se utiliza para medir la respuesta eléctrica de células en la retina.
Los electrodos se colocan sobre la córnea y la piel cercana al ojo. Se realiza el registro de la
diferencia de potencial eléctrico que se genera tras estimular el ojo con un flash de luz
blanca. El ERG es reflejo del estado funcional de capas medias y externas de la retina y su
alteración suele ser debida a daño funcional o histológico de esa estructura.
EEG Electroencefalograma: Valora la normalidad del cerebro y diagnostica determinados
trastornos. El análisis de la actividad bioeléctrica registrada sugiere la normalidad del
cerebro o la existencia de determinados trastornos. Consiste en el registro de la actividad
bioeléctrica cerebral. Se realiza mediante una serie de electrodos colocados en la superficie
del cuero cabelludo.
EMG Electromiograma: Registro de la actividad eléctrica generada por el músculo
esquelético. Sin embargo, este término se utiliza de manera genérica para hacer referencia
al conjunto de pruebas neurofisiológicas dirigidas al estudio del sistema nervioso periférico
y el músculo.
EOG Electrooculograma: Consiste en colocar pequeños electrodos cerca de los músculos de
los ojos para medir el movimiento de éstos. En condiciones habituales existe una diferencia
de potencial de aproximadamente de 0,4 a 5 mV entre la córnea y la membrana de Bruch
situada en la parte posterior del ojo.
EGG Electrogastrograma: Este test es una grabación de las señales eléctricas que viajan a
través de los músculos gástricos y que controlan las contracciones musculares. El
electrogastrograma se efectúa pegando varios electrodos sobre el abdomen del paciente,
encima del área gástrica.
ECG Electrocardiograma: Es la representación grafica de la actividad eléctrica de el
corazón.
El mecanismo de la conductividad eléctrica en el cuerpo tiene en los iones a sus portadores
de carga. La detección de las señales bioeléctricas implica interactuar con estos portadores
de carga iónicos y convertir las corrientes iónicas en las corrientes eléctricas requeridas por
la instrumentación electrónica. Esta función de conversión es llevada a cabo por los
electrodos.