ACTIVIDAD ELÉCTRICA DE LAS CÉLULAS

ACTIVIDAD ELÉCTRICA DE LAS CÉLULAS
El tamaño y forma de las células es muy variable, pero se encuentran en un promedio de 40 micras
y existen células que se apartan de estas dimensiones como las bacterias, que rara vez sobrepasan
las 5 micras, y las fibras musculares extraídas que pueden llegar a medir varios centímetros de
longitud por 0.1 milímetros de espesor.
Potencial de reposo trans-membrana o polarización diastólica.
CÉLULAS
•
Bloque básico de construcción
•
Difieren por función y Tamaño
•
Rodeados por una membrana semipermeable
•
Dentro del nucleo está el Código Genético
•
El cuerpo posee alrededor de 75 x 1011
•
1/3 son glóbulos rojos
•
Tienen capacidades de Organización, irritabilidad, nutrición, metabolismo, respiración y
excreción.
•
Se reproducen a través de la mitosis
BIOPOTENCIALES
•
Células excitables
•
Producen potenciales bioeléctricos
•
Relación iones K+ Cl-
•
La Memb. Celular es semipermeable
•
Permite paso de iones
•
Restringe o rechaza otros
•
La pared celular actúa como un condensador plano cuya capacidad viene dada por su
superficie S, su espesor D y su constante dieléctrica K
•
Célula Polarizada
•
(Potencial de Reposo)
Na+
Célula Despolarizada
•
Expulsa K+
•
Ingresa Na+
•
El interior queda 20mV a 40mV mas positivo.
Célula Repolarizada
•
Ingresa K+
•
Expulsa Na+
•
Vuelve a su potencial de reposo
•
Fibra Nerviosa
Definición de biopotencial
Es aquella señal eléctrica emitida por el cuerpo humano y que es adquirida por los equipos de
medición médica para convertirla en algo perceptible para los sentidos del médico.
Biopotenciales
Los potenciales bioeléctricos del cuerpo humano se generan por la diferencia de potencial que se
mide a través de la membrana celular.
Estos biopotenciales en el cuerpo humano son indeterminados y se caracterizan por tener una
amplitud muy baja y un ancho de banda reducido.
En el año de1903 se utilizó por primera vez un galvanómetro para hacer una medición eléctrica en
cuerpo humano.
Para tomar estas mediciones se utilizan diferentes tipos de bio-sensores según el tipo de
biopotencial que se quiera medir.
Estos biosensores son instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en señales
eléctricas. Están constituidos en dos partes básicas: un bio-receptor (bio-molécula que reconoce el
analito deseado) y un transductor (convierte el evento a analizar en una señal medible).
Tipos de biosensores.
Externos

Electrodos de placa: requiere contacto con el cuerpo mediante una placa rectangular.

De disco: más pequeños que los de placa, 8mm de diámetro, su componente principal en
cloruro de plata y un material aislante, se mantiene fijo con micro poro.

Electrodo desechable: se utilizan para periodos largos de medición, hasta 10 horas, se
desechan una vez que se utilizan.

De succión: crea un vacío con la superficie de contacto, es de alta impedancia.

Flexible: mejora el contacto con la superficie, especial para bebes prematuros.
Internos

Electrodo de aguja: medición por fluido de la zona de medición, se perfora la piel para la
medición
a) Potencial en nervios sensores
Características de los biopotenciales más comunes
Entre las señales biológicas más usuales se pueden mencionar el electroencefalograma (EEG),
electrocardiograma (ECG) y electromiograma (EMG).
Estos poseen un rango de amplitudes máximas de 100 μV a 1 mV y su contenido espectral, se
encuentra entre 0,01Hz y 1000Hz. La resolución mínima recomendada para su correcto registro es
de 1 μV, lo cual no es fácil de lograr en señales que usualmente se encuentran inmersas en mucho
ruido, fundamentalmente proveniente de las redes del tendido eléctrico.
La interfaz entre los electrodos de registro y la piel del paciente agrega dos inconvenientes más a
la ya difícil situación: por un lado, la impedancia de contacto es de valor elevado y muy variable,
por otro lado, se genera en la interfaz, un potencial de origen electroquímico, cuyo valor supera en
varios órdenes de magnitud a la señal a registrar, pudiendo llegar a ± 300 mV.
LOS AMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALES
Las funciones primordiales e irreemplazables de los amplificadores de biopotenciales (AB)
consisten en acondicionar las señales biológicas a un nivel adecuado para las etapas posteriores de
adquisición, visualización y almacenamiento y rechazar las interferencias electromagnéticas,
principalmente la producida por la red de distribución eléctrica [3].
Deben poseer una elevada impedancia de entrada, un alto rechazo a tensiones en modo común
(RRMC), bajo nivel de ruido y un nivel de ganancia adecuado a las etapas siguientes.
Una elevada RRMC es esencial, especialmente para los valores de la frecuencia de red (50Hz), para
lograr inmunidad a las interferencias producidas por las líneas eléctricas, que generalmente se
presentan como tensión en modo común.
A. Topologías.
Los AB poseen siempre entradas diferenciales pero pueden ser configurados de distinta manera de
acuerdo a la conexión de los electrodos de registro.
Los registros bipolares, hacen referencia a los sistemas que toman la diferencia de potencial entre
dos electrodos, no existe electrodo de referencia. Mediante este tipo de registros se logra una
muy buena resolución espacial del fenómeno bajo estudio.
En cambio en los registros monopolares, varios amplificadores diferenciales comparten un
electrodo tomado de referencia y amplifican la diferencia de potencial entre distintos electrodos y
esta referencia. En algunas áreas de la medicina, este tipo de registros son también llamados
seudo-monopolares [7].
Esta aparentemente sutil diferencia de conexión de la referencia, impacta fuertemente en la
topología de los amplificadores operacionales que constituyen el AB [8].
En la figura 1 se muestra la conexión de los electrodos para un AB de 4 canales en modalidad
bipolar y en configuración monopolar.
B. Configuración bipolar digital.
En los sistemas de registro clásicos, la opción bipolar – monopolar, se debía tomar de antemano,
siendo imposible de modificar una vez finalizado el registro. Con el advenimiento de los equipos
de registro basados en computadoras personales, surgió la posibilidad de adquirir todos los
canales como monopolares y luego digitalmente generar los canales bipolares en la cantidad y
combinación que el usuario desee.
Con N canales monopolares se pueden generar 2N
C
canales bipolares, donde 2N
C está dado por:
Por ejemplo, sobre 20 canales monopolares, se pueden obtener 190 canales bipolares aunque solo
algunos de ellos en particular pueden tener utilidad diagnóstica.
Pero tanta versatilidad tiene su costo, si no se tienen en cuenta algunos detalles la señal bipolar
calculada a partir de los canales monopolares no será tan buena como la obtenida por medición
directa.
La principal distorsión, reside en la diferencia de ganancia de los canales monopolares. Ya sea por
la ganancia de los amplificadores, por la tolerancia de los componentes o por diferencias en las
ganancias de los conversores analógicos a digitales (ADC). Especialmente cuando las señales
poseen un alto grado de correlación, por ejemplo para dos canales monopolares obtenidos de
localizaciones muy próximas entre sí, la relación señal ruido (SNR), se ve seriamente afectada [9].
La solución más común para este problema consiste en calibrar todos y cada uno de los canales
monopolares con una señal de referencia conocida, que puede ser una tensión continua o una
señal en alterna dependiendo del acoplamiento de los preamplificadores.
Otro inconveniente a tener en cuenta, es que, en el cálculo de la señal bipolar, interviene el ruido
del sistema de amplificación de los dos canales monopolares empleados. Asumiendo el ruido de
cada canal como no correlacionado, la relación señal ruido del canal bipolar digital es la mitad de
la de un canal bipolar real.
La solución a este problema no es tan sencilla como en el caso anterior, sobre todo para sistemas
de amplificación que ya se encuentran operando con niveles comprometidos de SNR. Es por esto,
que las principales firmas comerciales, que ofrecen equipos con un gran número de canales
monopolares, se reservan unos pocos canales configurados como bipolares reales para el registro
de potenciales bipolares de alta calidad.
Por último, otra cuestión a tener en cuenta en un sistema de varios canales monopolares que
comparten un mismo ADC es la falta de simultaneidad de las muestras.
En un esquema clásico como el mostrado en la Fig. 2a), el multiplexor selecciona un canal por vez
para que el ADC convierta. Esto produce un retardo de muestreo cuyo valor máximo se alcanza al
generar un canal bipolar con el primer y el último canal monopolar convertido.
El error temporal producido, es igual al tiempo de establecimiento del multiplexor, más el tiempo
de conversión del ADC por la cantidad de canales y su importancia depende de cuánto cambie la
señal en este lapso de tiempo.
Para un número reducido de canales y seleccionando un ADC suficientemente veloz, el error
puede ser aceptable, pero al aumentar la cantidad de canales, la situación se debe resolver de otra
manera.
La alternativa es emplear un circuito de muestreo y retención (S/H) por canal (Fig. 2b), de esta
manera tomar una muestra simultánea de todos los canales, y mantenerla estable durante todo el
proceso de conversión.
Esto es una solución para una gran cantidad de aplicaciones, pero, a su vez, presenta algunos
problemas:
- El rango dinámico del S/H está limitado a aproximadamente 80dB (14 bits), como se verá más
adelante, esto hace imposible los sistemas acoplados en continua donde se requieren al menos
115dB (19 bits).
- Las corrientes de pérdida del S/H causan diferencias en las ganancias en los canales.
- La conmutación del multiplexor produce “glitches” en las salidas del S/H.
- La separación entre canales del multiplexor es limitada, produciéndose “crosstalk” entre canales
próximos, especialmente cuando existe algún electrodo mal conectado.
- La salida del multiplexor, tiene forma de escalera con la secuencia de voltajes de los S/H. Esto
impone serias condiciones de ancho de banda, respuesta en frecuencia y tiempo de
establecimiento de la señal a la entrada del ADC. Efectos como el “overshoot” y el “ringing”
deterioran aún más la precisión del muestreo.
- En los sistemas con muchos canales, el ruteo de pistas desde los amplificadores de entrada hasta
el multiplexor, puede no ser un problema trivial.
La configuración óptima para resolver todos estos inconvenientes es empleando un ADC por canal
y multiplexar digitalmente (Fig. 2c).
Obviamente para esta solución, hay que tener en cuenta el costo tanto económico, como en
términos de consumo.
Pero el avance actual sobre todo de las tecnologías digitales y la masificación de estos productos,
nos ofrecen ADC de bajo costo, bajo consumo y alta resolución, colocando esta alternativa entre
las más utilizadas en equipos de alto perfil [10].
C. Acoplamiento en continua.
En el registro de biopotenciales, se desea resolver 1 μV sobre una señal de 1000 μV, para eso
basta con un ADC de 10 bits de resolución libres de ruido (60dB). Los niveles de ganancia
necesarios para amplificar la señal al valor del rango de entrada del ADC suele ser entre 2000 y
5000, con lo cual, es necesario filtrar los potenciales generados en la interfaz electrodo-piel, para
evitar que saturen los amplificadores [11].
En un circuito clásico, el filtrado de este potencial de continua se lleva a cabo mediante una o
varias etapas acopladas en alterna, redes de acoplamiento [12] o circuitos realimentados de
supresión de continua [13] entre otros. Estas soluciones, generalmente deterioran la relación de
rechazo en modo común [4], la impedancia de entrada, aumentan el nivel de ruido, incrementan
el tiempo de respuesta ante la saturación de los amplificadores y provocan una pérdida
irrecuperable de componentes de continua [14].
La disponibilidad de ADCs de alto rango dinámico (115 dB o más), permite reducir la ganancia de
los amplificadores a no más de 5 o 10, ampliando el rango de entrada del amplificador, y eliminar
la etapa de acoplamiento en alterna, dejando la tarea del filtrado pasa alto a las etapas de
procesamiento digital [15].
En la figura 3 se presenta un esquema de un amplificador de biopotenciales bipolar donde se
puede observar la gran simplificación de la etapa analógica.
Además de esta simplificación, presenta varias ventajas respecto de los amplificadores acoplados
en alterna:
- Al no poseer filtro pasa altos con una constante de tiempo grande, presenta una muy buena
respuesta a transitorios, como los generados al desconectarse un electrodo, ante una descarga de
desfibrilador ó ante una interferencia de un electrobisturí [21].
- La ausencia de capacitores de paso cuya elevada tolerancia hace difícil el apareamiento, mejora
la relación de rechazo en modo común (RRMC).
- Tanto la impedancia de entrada en modo común, como en modo diferencial, son más elevadas
que los circuitos con redes de acoplamiento.
- El filtrado digital, es mucho más versátil, pudiendo ser modificado o adaptado para distintas
señales biológicas manteniendo el mismo hardware.
- La tensión del contacto electrodo piel, que ahora se digitaliza junto con la señal, puede ser
empleada para analizar el estado de esta interfaz.
Otra ventaja adicional, relacionada con el rango dinámico tan elevado de estos conversores, es
que el rango de entrada de los amplificadores, es también muy grande (típicamente ±300 mV a
±500 mV). Poco importa entonces la amplitud de la señal a adquirir de solo algunos milivoltios.
Con esto, se puede prescindir de los circuitos de control de ganancia, de las calibraciones de cero y
ganancia y realizar por software estas calibraciones mediante señales patrón. En el caso de estar
los amplificadores acoplados en continua, pueden ser simplemente varias tensiones fijas que son
tomadas por el software para escalar las señales adquiridas.
D. Los conversores sigma delta.
Si bien esta arquitectura puede ser realizada con cualquier tipo de ADC, son los conversores sigma
delta, los que cumplen con los requisitos económicos y de consumo apropiados para estas
aplicaciones. De todas maneras, son estos dos ítems –el económico y el del consumo-, las
principales desventajas con las que debemos enfrentarnos al comparar este esquema con un
sistema clásico acoplado en alterna y que emplea un ADC de menor resolución (de 10 a 16 bits).
III. PROPUESTA DE DISEÑO.
Con todo este abanico de nuevas consideraciones, se ha iniciado el diseño y el desarrollo de un
amplificador de biopotenciales de manera de contar con un sistema de adquisición versátil para la
investigación dentro del laboratorio de Ingeniería en Rehabilitación e
A. Especificaciones de diseño.
El sistema debe presentar una concepción modular, de manera tal que, la cantidad y el tipo de
canales, pueda ser escalado de acuerdo a las necesidades; pudiendo llegar hasta los 64 canales
monopolares, reservando 4 u 8 canales como bipolares reales.
La frecuencia de muestreo debe ser suficiente para abarcar las señales fisiológicas más comunes
(ECG, EMG, EEG, etc.), pudiendo el ancho de banda, también adaptarse al biopotencial que se está
digitalizando.
Toda la cadena preamplificador – conversor, debe ser calibrable mediante señales de referencia,
generadas dentro del equipo.
B. Diseño del preamplificador.
La etapa de preamplificación, es sin duda, la más crítica al momento del diseño de cualquier
sistema de adquisición de biopotenciales, más aún, cuando se quieren amplificar gran cantidad de
canales en configuración monopolar.
En la figura 4 se muestra el circuito propuesto, el cual utiliza dos electrodos para generar un lazo
de realimentación, mediante el cual, el potencial en modo común del paciente (CMS), es llevado,
lo más cerca posible al de referencia de los ADCs.
C. Selección del Conversor Analógico – Digital.
El conversor sigma delta seleccionado es el ADS1278, de la firma Texas Instruments, cuyas
principales características son [22]:
- 24 bits de resolución.
- 8 canales de conversión simultáneos.
- 4 modos de operación.
- Hasta 128 khz de frecuencia de muestreo.
- Consumo de 7 mW por canal.
- Costo aproximado de 5 u$s por canal.
D. Diseño de la plataforma de pruebas.
Actualmente se está diseñando una plataforma basada en el microcontrolador 68HC908GP32 de
Freescale, con una conexión USB a una computadora, para comenzar a probar todos los modos de
trabajo del ADC y encontrar el óptimo para la aplicación.
IV. CONCLUSIONES
La técnica de cálculo digital de canales bipolares a partir de los registros monopolares que, a todas
luces presenta muchas ventajas en cuanto a versatilidad, debe ser tomada con mucho cuidado,
debiéndose contemplar unos cuantos puntos para no introducir errores que degradan la calidad
de la señal generada. Una adecuada calibración –por lo general por software-, debe ser realizada
sobre los canales monopolares intervinientes para anular errores generados por desbalances en
las ganancias.
El multiplexado digital, no solo es una muy buena alternativa para la solución de los problemas de
retardo de muestreo en los sistemas con ADC compartido, sino que agregan varias ventajas
adicionales, aunque siempre a expensas de mayor consumo y de un costo más elevado.
Los beneficios de los amplificadores acoplados en continua respecto de los acoplados en alterna,
son bien conocidos desde hace mucho tiempo. Varios intentos por implementarlos con complejos
diseños analógicos y digitales, resultaron siempre en circuitos de desempeño limitado [23]. Pero
con la aparición de conversores sigma delta de alta resolución, es posible implementarlos de
manera sencilla, a un costo aceptable y manteniendo un consumo total del circuito en valores
razonables para la mayoría de las aplicaciones.