INTRODUCCIÓN A INGENIERÍA BIOMÉDICA

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INTRODUCCIÓN INGENIERÍA BIOMÉDICA. I-1 Objetivos. I-2 Preguntas de Auto evaluación. I-3 La Ingeniería Biomédica Áreas de aplicación de la Ingeniería Biomédica. Terminología Una perspectiva histórica. I-4 Hospitales y sus clasificaciones. I-5 Especialidades. I-6 Clasificación de equipos clínicos. Equipos invasivos. Equipos de diagnóstico. Equipos de soporte vital. Equipos de apoyo. Equipos de investigación. I-7 Señales biomédicas. Precauciones de seguridad eléctrica. Señales de Bioimpedancia Señales Bioacústicas Señales Biomagnéticas Señales Biomecánicas Señales Bioquímicas Señales Bioópticas Señales Bioeléctricas I-8 Transducción y medición de eventos fisiológicos. Transductores Propiedad de transducción. Principio de transducción. Linealidad en amplitud Respuesta a la frecuencia y a distorsión de fase. I-9 Definición de precisión de la medición. Precisión y Exactitud. Histograma. Media y Desviación estándar. I-10 Cuestionario.

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INTRODUCCIÓN INGENIERÍA BIOMÉDICA. I-1 Objetivos. 1. Ser capaz de enunciar las áreas del conocimiento y de aplicación de la ingeniería biomédica. 2. Describir los principales equipos electrónicos – médicos utilizados en hospitales. 3. Ser capaz de indicar los principales tipos de señales biomédicas. 4. Establecer las características más importantes en los transductores utilizados en la medición y registro de eventos fisiológicos. 5. Reconocer la diferencia entre precisión y exactitud y sus parámetros de medición.

I-2 Preguntas de Auto evaluación. Estas preguntas prueban su conocimiento previo del material en este capítulo. Busque las respuestas a medida que lea el texto 1.- Un hospital de ___________ nivel, también conocido como hospital ____________ puede dar atención integral a cualquier padecimiento del paciente ya que cuenta con todas las áreas de especialidad. 2.- Los equipos médicos de __________ ______ permiten mantener y estabilizar pacientes en estado crítico (en unidades de cuidados intensivos). 3.- En la adquisición de señales bioeléctricas se requiere de un transductor porque la conducción eléctrica en un medio biológico se produce a través de _________, en tanto que en el sistema de medición la conducción es mediante ____________. 4.- Mencione que establece la primera regla de la instrumentación – Kelvin. 5.- El término más utilizado para indicar la variabilidad es la _________ ________, la cual es una medida de la dispersión de las mediciones por lo que está relacionado con su reproducibilidad, esto es, con su ___________.

I-3 La Ingeniería Biomédica La ingeniería biomédica utiliza los conocimientos en biología, medicina, matemáticas, ciencias de la ingeniería (física y química), computación y comunicación para resolver problemas médicos y biológicos. La ingeniería biomédica apoya y realiza investigación y desarrollo de sistemas y equipos para el conocimiento, diagnóstico y tratamiento de padecimientos y enfermedades en seres vivos (plantas, animales y seres humanos).

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Áreas de aplicación de la Ingeniería Biomédica. 1.- Diseño y mantenimiento de circuitos eléctricos y electrónicos, así como de programación computacional (software) aplicados a instrumentación médica. Esto desde equipos grandes de rayos X, tomografía y resonancia magnética hasta equipos pequeños como marcapasos, implantes cocleares y bombas de infusión. 2.- Simulación computacional utilizando modelos matemáticos, físicos y químicos para el desarrollo y evaluación de nuevas terapias con medicamentos. 3.- Estudio mediante modelos matemáticos (Ecuaciones diferenciales, Estudios estadísticos, Análisis en frecuencia - Fourier, etc.) de las señales generadas por órganos (cerebro, corazón, músculos, etc.) para encontrar nuevos procedimientos de diagnóstico y terapia. 4.- Construcción de órganos artificiales (prótesis para cadera, miembros, rodillas, válvulas para el corazón, implantes dentales, etc.) para el reemplazo de funciones perdidas, para lo cual utiliza el conocimiento de la física y química de materiales para asegurar su durabilidad y compatibilidad con el ambiente biológico al que van a estar expuestos. 5.- Desarrollo de tecnología inalámbrica para monitoreo y comunicación a distancia (remota) entre pacientes y médicos. 6.- Diseño de equipos de rehabilitación, diseño de equipos para ejercicio y dispositivos terapéuticos para mejorar el estado y rendimiento del cuerpo humano. 7.- Involucrado en investigación y desarrollo de tejidos vivos para el reemplazo de órganos en mal estado. 8.- Solución a problemas a nivel celular y molecular mediante el diseño de nanotecnología y micromáquinas para reparar daños dentro de las células y alterar funciones genéticas. Terminología BIOLOGÍA.- Ciencia que estudia la vida. MEDICINA.- Ciencia que estudia el cuerpo humano, sus procesos, enfermedades, tratamientos y métodos de curación. Así, la Medicina es parte de la Biología. ELECTROMEDICINA.- Parte de la Medicina que utiliza o estudia la electricidad, sus funciones en nuestro organismo y su aplicación en tratamiento de enfermedades en seres humanos. BIOELECTRÓNICA.- Estudio de la electricidad en cualquier proceso biológico, ya sea en el conjunto de un ser vivo, en una parte del mismo o en una población de individuos (por ejemplo, comunicación eléctrica en una colonia de bacterias).

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FISIOLOGÍA.- Estudia el funcionamiento de los seres vivos a niveles internos (órganos, sentidos, secreciones hormonales, etc.). Sus interacciones eléctricas son vistas por la Electrofisiología.

Una perspectiva histórica.

a).- Antes de la segunda guerra mundial. Primeros fisiólogos investigadores Æ (Soplador de vidrio, carpintero mecánico).

b).- Durante la segunda guerra mundial. Ingenieros, físicos, químicos Æ Diseño de aviones, armas, municiones. Investigadores que quedaban Æ Biólogos Æ Diseño del radar. Relación de los biólogos con la electrónica. biólogía y medicina.

Aplicaciones de la electrónica en

c).- Post guerra. Crecimiento en dispositivos y sistemas electrónicos. Aplicaciones a Biología Æ Bioingenieros. Especialización por campos Æ Electrónica Médica. Aplicaciones de la ingeniería Æ Ingeniería Biomédica.

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I-4 Hospitales y sus clasificaciones.

Hospital: Establecimiento público o privado donde se efectúa el cuidado, médico y quirúrgico, de una persona que ha visto afectado el buen funcionamiento de su organismo.

Clasificación:

HOSPITAL DE PRIMER NIVEL. •

También se le conoce como Puesto de Salud y se distingue porque solamente puede atender padecimientos no graves del paciente o persona afectada, además solo cuenta con equipo de monitoreo básico y de primeros auxilios.

HOSPITAL DE SEGUNDO NIVEL. •

Su principal característica es que pueden realizarse procedimientos quirúrgicos en sus instalaciones y albergar por un tiempo determinado al paciente para su posterior atención. Puede atender solamente algunas especialidades y en algunos casos canalizar al paciente para su atención hacia otro hospital con la especialidad adecuada y el equipo necesario.

HOSPITAL DE TERCER NIVEL. •

Conocido también como Hospital General, puede dar atención integral a cualquier padecimiento del paciente ya que cuenta con todas las áreas de especialidad existentes. Regularmente funciona también como escuela y centro de investigación.

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I-5 Especialidades. Algunas de las especialidades de un hospital de tercer nivel (Hospital General) son:

Medicina interna

Cirugía General.

Anestesiología. Ginecología y Obstetricia Pediatría.

Cardiología. Gasterontología. Neumología. Endocrinología. Neurología. Geriatría. Hematología. Nefrología. Infectología y Alergias. Reumatología. Urología. Medicina Crítica Cirugía Plástica y Reconstructiva. Cirugía Abdominal. Cirugía Cardiovascular. Neurocirugía. Biología de la reproducción. Perinatología. Neonatología. Neurología Pediátrica.

Traumatología y Ortopedia. Dermatología. Otorrinolaringología. Oftalmología. Microbiología. Farmacología. Anatomía Patológica. Fisiología Psiquiatría. Radiología. Medicina Nuclear. Oncología y Radioterapia. Medicina del Trabajo. Medicina del Deporte. Biología molecular e Ingeniería genética. Urgencias. Laboratorio Banco de Sangre Banco de órganos.

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I-6 Clasificación de equipos clínicos. Se pudiera hacer una división de los equipos eléctricos/ electrónicos utilizados en un hospital en: 1.- Equipos invasivos. 2.- Equipos de diagnóstico. 3.- Equipos de soporte vital. 4.- Equipos de apoyo. 5.- Equipos de investigación.

Equipos invasivos. Por equipos invasivos nos referimos a aquellos que son aplicados al o dentro del cuerpo humano y que presentan un efecto significativo en él, ya sean utilizados como medio diagnóstico o de terapia. Entre otros tenemos: Desfibriladores. Electrocauterios. Electroestimuladores. Diálisis. Diatermia. Ultrasonido. Marcapasos. Inyectores.

Endoscopios. Implantes cocleares. Litotriptor. Anestesias. Angioplastía. Bombas de Cobalto. Aceleradores Lineales. Lasers.

Equipos de diagnóstico. Los equipos de diagnóstico permiten determinar o verificar la causa o estado de un padecimiento o problema y así definir el proceso de curación o terapia. Entre estos tenemos:

LABORATORIO Microscopio. Analizador. Espectrofotómetro. Contadores de células. Microtomos. Centrífugas

IMAGENEOLOGÍA Rayos X Ultrasonido Tomografía Axial Computarizada. Resonancia Magnética Nuclear. Rx-osteoporosis. Medicina Nuclear.

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Electrocardiógrafo. Electroencefalógrafo. Audiómetro. Electronistagmógrafo. Ultrasonido Doppler.

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MEDICINA INTERNA Glucómetro. Cámara oftalmológica. Presión ocular. Banda de esfuerzo. Baumanómetro.

Equipos de soporte vital. Los equipos de soporte vital permiten mantener y estabilizar pacientes en estado crítico (en unidades de cuidados intensivos). Entre otros tenemos: SOPORTE VITAL. Monitores de frecuencia cardiaca, gases arteriales, respiración. Monitores de temperatura y presión arterial o intracraneal. Bombas de infusión. Cunas Térmicas. Ventiladores (respiración asistida). Equipos de apoyo. Por equipos de apoyo nos referimos a equipos auxiliares que permiten la operación continua de un hospital de especialidades. Entre otros se tienen: DE APOYO. Planta de Emergencia. Banco de sangre y órganos. Mesas de cirugía planetarias motorizadas. Lámparas para quirófanos. Equipo computacional en red para sistema de archivo y administración.

Equipos de investigación. DE INVESTIGACIÓN. Refrigeradores. Cuartos presurizados (presión positiva y negativa). Campanas aisladas. Fuentes de poder. Sistemas con control de temperatura.

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I-7 Señales biomédicas. Una señal es una descripción de cómo un parámetro esta relacionado con otro. Por ejemplo, el tipo más común de señal en electronica analógica es un voltaje que varía con el tiempo. Debido a que ambos parámetros pueden asumir un rango continuo de valores, llamaremos a esto "señales continuas". Magnitud de Señal Continua Continuidad en Magnitud Intervalo seleccionado

Tiempo

Continuidad en Magnitud Magnitud de Señal Continua Continuidad en Tiempo

Tiempo Intervalo seleccionad

Continuidad en Tiempo. En cambio, al pasar esta señal a través de un convertidor analógicodigital se fuerza a cada uno de los dos parámetros (magnitud y tiempo) a ser cuantizados. Señal Continua Conversión Analógico a Digital

Código Digital (110101)

Computadora o Procesador Digital

Tiempo

Discontinuidad en Magnitud.

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Error de cuantización = (± 0.625V) +1/2 LSB -1/2 LSB Palabra binaria de 3 bits

111 110 101 100 011 010 001 000

0

1.25 2.50 3.75 5.00 6.25 7.50

8.75 10.0

Voltaje de entrada

Error de cuantización para un convertidor de 3 bits. Por ejemplo, imaginemos una conversión realizada con 12 bits a una frecuencia de muestreo de 1000 muestras por segundo. El valor digital binario del voltaje estará restringido a 4096 (212) niveles posibles, y el tiempo esta definido solo cada milisegundo. Las señales formadas a partir de parámetros cuantizados de esta manera se denominan "señales discretas" o "señales digitales".

Señal Discreta Discontinuidad en Tiempo

Tiempo Discontinuidad en Tiempo.

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Desde una visión más práctica, podemos decir que una señal es un fenómeno que transporta información. 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:

* Señales de Bioimpedancia * Señales Bioacústicas * Señales Biomagnéticas * Señales Biomecánicas * Señales Bioquímicas * Señales Bioópticas * Señales Bioeléctricas

Precauciones de seguridad eléctrica. Todas las líneas o conductores energizados, aún bajos voltajes como 5 ó +/15 VCD, tiene el potencial para quemar, encender fuego, destruir componentes y equipos electrónicos, y generar daño. Es importante aplicar el sentido común y estar alerta cuando esté trabajando con equipos o instrumentos energizados. Si se tiene que trabajar con equipos o líneas energizados a altos voltajes, antes de hacerlo se deben recibir instrucciones suficientes en cuanto a su uso apropiado y sus requerimientos de seguridad. En estos casos procure nunca trabajar solo, de tal forma que ante un accidente alguien pueda prestar apoyo. Se requiere de una muy pequeña cantidad de corriente para producir un shock eléctrico en el cuerpo humano y herir a una persona severa o fatalmente. La siguiente tabla presenta una serie de valores de corriente (de 60 Hz), y su efecto en el cuerpo humano:

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Valor de la Corriente

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Efectos

1 mA (0.001 A)

Sensación ligera u hormigueo.

10 mA (0.01 A)

Un shock lo suficiente intenso para ocasionar un movimiento involuntario de los músculos. Así, la persona pudiera no pueder soltar el conductor eléctrico.

100 mA (0.1 A) Más de 100 mA

Un shock de este tipo con duración de 1 segundo es suficiente para lisiar u ocasionar la muerte. Un shock extremadamente severo, puede ocasionar arritmia ventricular, y un cambio en el ritmo cardíaco. Causa la muerte casi instantáneamente.

La resistencia del cuerpo humano varía desde alrededor de 500,000 Ω (estando seco) hasta cerca de 300 Ω (estando mojado, incluye la transpiración o sudor). En ciertos casos, aún con bajos voltajes (como 30 volts), se podría generar corriente suficiente para un accidente fatal. I = voltaje/res. húmeda = 30 V/300 Ω = 100 mA Aún cuando el voltaje de alimentación a un circuito, en el cual se esté trabajando, sea suficientemente bajo para no representar una condición peligrosa, los equipos que se utilizan para energizar y probar el circuito (es decir, fuentes de poder, generadores de señal, medidores, osciloscopios) generalmente operan con 120 VCA. Revise que estos equipos posean clavijas polarizadas (de tres cables), y que la terminal de tierra no este cortada, aislada o desconectada. Una buena precaución de seguridad es operar los equipo mediante el suministro de energía eléctrica proveniente de un transformador de aislamiento, cuyo neutro esté conectado a la mesa de trabajo, gabinete del equipo o tierra del circuito. Para minimizar la posibilidad de recibir un shock eléctrico se debe utilizar solo una mano mientras se mide el voltaje, manteniendo la otra mano al lado o atrás del cuerpo. No minimice la importancia de los elementos de seguridad (fusible, interruptor, switch) de cualquier dispositivo eléctrico, cortocircuitándolo o utilizando uno con un rango de amperaje mayor al especificado. Estos dispositivos de seguridad están seleccionados para proteger tanto al usuario como al equipo. Una última recomendación es que antes de aplicar energía a un circuito, se retiren los cables, componentes y herramientas que no se requieran, así como desperdicios (cables cortados y aislantes) del área cercana al equipo o circuito.

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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.

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).

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.

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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. 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 (po2) y de bióxido de carbono (pco2) en la sangre o en el sistema respiratorio son otros ejemplos. Las señales bioquímicas son por lo general de muy baja frecuencia. 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. 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.

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Probablemente, las señales bioeléctricas sean las señales biomédicas más importantes. El hecho que los sistemas biológicos más importantes poseen células excitables hace posible el uso de las señales bioeléctricas para estudiar y monitorear las principales funciones de estos sistemas. El campo eléctrico se propaga a través del medio biológico, y así el potencial puede adquirirse a distancia desde la superficie del sistema en estudio, eliminándose la necesidad de invadirlo. La señal bioeléctrica requiere un transductor relativamente simple para su adquisición. Se necesita un transductor porque la conducción eléctrica en el medio biológico se produce a través de iones, mientras que en el sistema de medición la conducción es mediante electrones.

1.8 TRANSDUCCIÓN Y MEDICIÓN DE EVENTOS FISIOLÓGICOS.

* Transductores Dispositivos que convierten eventos fisiológicos en señales eléctricas, aplicando también a la conversión de un tipo de energía a otro.

La conversión de un evento fisiológico a una señal eléctrica permite aprovechar un máximo de información, facilitando su almacenamiento, procesamiento y desplegado.

*Métodos para convertir eventos fisiológicos en señales eléctricas:

a).- Variación directa o indirecta de:

Resistencia. Capacitancia. Inductancia. Acoplamiento magnético.

b).- Efecto piezoeléctrico. c).- Efecto fotoeléctrico. d).- Medición de voltaje o corriente producidos por eventos bioquímicos. e).- Detectores de energía radiante (termografías). f).- Medición de propiedades eléctricas de materiales biológicos.

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* Es importante diferenciar entre:

Propiedad de transducción.Característica singular de un evento al que se le puede aplicar un principio de transducción y que es lo que hace este evento reconocible.

Principio de transducción.Método empleado para convertir una propiedad de transducción en una señal eléctrica.

EJEMPLO: Medición del CO2 en la respiración. El CO2 absorbe radiación infrarroja con longitud de onda de 2.7, 4.3 y 14.7 micrones. Así, a mayor concentración de CO2 mayor será la absorción de la radiación de radiación infrarroja en esa longitud de onda.

Fuente de radiación infrarroja Detector de radiación infrarroja

Flujo de aire en expiración A mayor concentración de CO2, el detector sensará menos radiación infrarroja. Así, la propiedad de transducción será la absorción de radiación infrarroja por el CO2 y el principio de transducción estará compuesto por la fuente y el detector de radiación infrarroja.

La máxima resolución se obtendrá en función a: 1.- La singularidad de la propiedad de transducción. 2.- La selectividad método o principio de transducción.

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Características a lograr en la medición. 1.- El instrumento de medición no debe alterar el evento a medir (Primera regla de la instrumentación – Kelvin). 2.- El transductor debe tener un alto grado de selectividad en relación al evento a ser medido, de tal modo que tenga un alto rechazo a otros tipos de eventos.

Características que definen que tan bien el transductor puede lograr realizar la reproducción del evento. a).- Linealidad en amplitud b).- Respuesta a la frecuencia y a distorsión de fase.

Linealidad en amplitud.- Capacidad del transductor a producir una señal de salida que sea directamente proporcional a la amplitud de la entrada.

Relacionada con la linealidad está la histéresis que es la capacidad del transductor de producir una salida que siga a la entrada independientemente de la dirección de cambio de la entrada. El rango de variación del evento nunca debe exceder el rango de operación del transductor. Entradas fuera del rango pueden dañar al transductor o decrementar su linealidad e incrementar el error de histéresis.

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Por respuesta a la frecuencia y a corrimiento de fase. Se refiere a la capacidad del transductor a producir una señal que siga los cambios rápidos y lentos sin atenuación en amplitud ni retraso en tiempo. Así, la respuesta a la frecuencia del transductor debe ser igual o mayor que el establecido por el análisis de armónicas de la forma de onda del evento y para no tener distorsión de fase se requiere que el transductor pueda mantenerse en fase (sin corrimiento) ante las frecuencias senoidales presentes en al análisis de armónicas.

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Aún cuando es deseable obtener señales lineales de todos los transductores, esto no siempre es posible, por ejemplo, el cambio en la resistencia de los termistores no es lineal en relación a la temperatura. En estos casos se tendrán que utilizar redes linearizadoras a menos que el evento pueda tolerar una calibración no lineal. En ciertos casos la señal no es lineal por la naturaleza del evento fisiológico en si. Por ejemplo, lo rojo de la sangre presenta una relación logarítmica con el grado de saturación de oxígeno, así, un detector de emisiones rojas e infrarrojas requerirá el uso de un dispositivo especial de procesamiento para obtener una señal lineal relacionada con la saturación de oxígeno en sangre. * El grado de precisión requerido en un transductor dependerá de las características y sensitividad requerida en la medición del evento fisiológico. * La precisión y el costo están directamente relacionados, seleccionar dispositivos que excedan por mucho los requerimientos de precisión y respuesta generará problemas en la comercialización del producto.

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SUMARIO: Para la medición correcta de un evento fisiológico se requiere la selección de la propiedad de transducción adecuada (singularidad del evento) a la cual se le aplicará un método o principio de transducción (selectividad del transductor). Ante varias propiedades de transducción y principios de transducción disponibles, se debe considerar que: máxima singularidad del evento y máxima selectividad en el transductor permite tener mínimo equipo electrónico requerido para una medición exitosa.

I-9 Definición de precisión de la medición. Aún con todos los dispositivos de medición funcionando correctamente (transductor, procesador, etc.), mediciones repetidas de la misma variable no producen el mismo valor. Así, ¿Cuál es el valor correcto?, ó ¿Cuál es el valor más representativo? La estadística ofrece un camino para responder estas preguntas.

* Diferencia entre precisión y exactitud. Precisión se refiere al grado de reproducibilidad de la medición. Exactitud es una medida de que tan cercano esta el valor medido con respecto al valor verdadero. Error es la diferencia entre el valor medido y el valor exacto (real).

En muchas investigaciones la exactitud y el error no son conocidos debido a que se desconoce el valor verdadero. Así, ¿Cómo una serie de mediciones puede darnos información en relación al evento medido?

EJEMPLO: Medición indirecta de presión sistólica. (Banda a la que se aplica aire a presión hasta que no se detecta pulso, se sensa pulso a medida que se libera la presión, cuando se detecta pulso, se toma la presión en mm de Hg.) Se hacen varias mediciones y se obtiene 20 valores de la presión sistólica. Se presenta dispersión entre 124 y 134 mm de Hg. ¿Qué valor seleccionar y que tan exacto será?

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El valor más representativo deberá estar en ese rango. El análisis estadístico permite obtener ese valor representativo. Primeramente se realiza un diagrama de distribución de frecuencias (histograma). Para esto se divide el rango de valores obtenidos en una serie de intervalos iguales y se determina sus frecuencias, con esto se realiza el histograma.

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Cuando la frecuencia de los intervalos se presenta en forma de una gráfica de rectángulos (gráfica de barras) se obtiene el histograma. Cuando los puntos intermedios de los rectángulos (frecuencia de los intervalos) se unen mediante líneas rectas se obtiene el polígono de frecuencias. Cuando los puntos intermedios de los rectángulos (frecuencia de los intervalos) se unen mediante una línea suave se obtiene la curva de distribución de frecuencias. Cuando se aplica la técnica de frecuencia de intervalos (histograma) se puede observar claramente que ciertos valores aparecen más frecuentemente que otros. ¿Qué opina de utilizar la media (suma de valores entre el número de valores)? En este caso la media es 129.4, lo cual en este ejemplo, casi coincide con la mitad del rango 124 + ((134-124)/2) = 129. ¿Qué opina de utilizar la mediana (el valor que divide el grupo en 2)? En este caso la mediana es 130. Muchas técnicas de medición producen resultados que caen en una curva de distribución normal (Gausiana), la cual asigna el mismo peso a todas las mediciones y asume que son más probables los errores pequeños que los grandes.

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En estos casos el término más utilizado para indicar la variabilidad es la desviación estándar, la cual es una medida de la dispersión de las mediciones por lo que está relacionado con su reproducibilidad, esto es, con su precisión. La desviación estándar esta definida como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las desviaciones de la media dividida por el número de mediciones. Si la curva de distribución de frecuencias puede describirse como una distribución normal, se puede mostrar que el 68.27 % de las mediciones caerán en el rango de la media +/- una desviación estándar, y si se abriera el intervalo a +/- 2 desviaciones estándar tendríamos el 95.45 % y abriéndolo a +/- 3 desviaciones estándar el 99.73 %.

En el caso de ejemplo, la media es 129 mm de Hg y la desviación estándar es 2.6 mm de Hg. Así el valor más representativo es 129 mm de Hg y se tiene una confianza de que un 68,27 % de las mediciones caerán en el rango de 126.4 a 131.6 mm de Hg. 24 de 37

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Ahora, considere que se tiene un transductor de presión libre de error que se aplica directamente en la arteria, con lo que se obtiene, en forma repetida, un valor de 134 mm de Hg, por lo que podemos considerarlo el valor exacto. En el caso pasado de la medición indirecta de presión arterial se podría corregir la media agregando 5 mm de Hg a las mediciones, con esto tendríamos un valor, de las mediciones indirectas, más exacto. La precisión seguiría siendo la misma, pues recuerde la precisión es una medida de dispersión en relación a la repetibilidad de la medición.

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I-10 Cuestionario.

1.- ¿Qué problemas resuelve la ingeniería biomédica y de que áreas del conocimiento se apoya? La ingeniería biomédica utiliza los conocimientos en biología, medicina, matemáticas, ciencias de la ingeniería (física y química), computación y comunicación para resolver problemas médicos y biológicos.

2.- Mencione 3 áreas de aplicación de la ingeniería biomédica. 1.- Diseño y mantenimiento de circuitos eléctricos y electrónicos, así como de programación computacional (software) aplicados a instrumentación médica. Esto desde equipos grandes de rayos X, tomografía y resonancia magnética hasta equipos pequeños como marcapasos, implantes cocleares y bombas de infusión. 2.- Simulación computacional utilizando modelos matemáticos, físicos y químicos para el desarrollo y evaluación de nuevas terapias con medicamentos. 3.- Estudio mediante modelos matemáticos (Ecuaciones diferenciales, Estudios estadísticos, Análisis en frecuencia - Fourier, etc.) de las señales generadas por órganos (cerebro, corazón, músculos, etc.) para encontrar nuevos procedimientos de diagnóstico y terapia. 4.- Construcción de órganos artificiales (prótesis para cadera, miembros, rodillas, válvulas para el corazón, implantes dentales, etc.) para el reemplazo de funciones perdidas, para lo cual utiliza el conocimiento de la física y química de materiales para asegurar su durabilidad y compatibilidad con el ambiente biológico al que van a estar expuestos. 5.- Desarrollo de tecnología inalámbrica para monitoreo y comunicación a distancia (remota) entre pacientes y médicos. 6.- Diseño de equipos de rehabilitación, diseño de equipos para ejercicio y dispositivos terapéuticos para mejorar el estado y rendimiento del cuerpo humano. 7.- Involucrado en investigación y desarrollo de tejidos vivos para el reemplazo de órganos en mal estado. 8.- Solución a problemas a nivel celular y molecular mediante el diseño de nanotecnología y micromáquinas para reparar daños dentro de las células y alterar funciones genéticas.

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3.- ¿Qué diferencia hay entre la biología y la medicina? BIOLOGÍA.- Ciencia que estudia la vida. MEDICINA.- Ciencia que estudia el cuerpo humano, sus procesos, enfermedades, tratamientos y métodos de curación. Así, la Medicina es parte de la Biología.

4.- Defina Electromedicina y Bioelectrónica. ELECTROMEDICINA.- Parte de la Medicina que utiliza o estudia la electricidad, sus funciones en nuestro organismo y su aplicación en tratamiento de enfermedades en seres humanos. BIOELECTRÓNICA.- Estudio de la electricidad en cualquier proceso biológico, ya sea en el conjunto de un ser vivo, en una parte del mismo o en una población de individuos (por ejemplo, comunicación eléctrica en una colonia de bacterias).

5.- Defina Fisiología y Electrofisiología. FISIOLOGÍA.- Estudia el funcionamiento de los seres vivos a niveles internos (órganos, sentidos, secreciones hormonales, etc.). Sus interacciones eléctricas son vistas por la Electrofisiología.

6.- Defina la clasificación de los hospitales y su área de acción. HOSPITAL DE PRIMER NIVEL. •

También se le conoce como Puesto de Salud y se distingue porque solamente puede atender padecimientos no graves del paciente o persona afectada, además solo cuenta con equipo de monitoreo básico y de primeros auxilios.

HOSPITAL DE SEGUNDO NIVEL. •

Su principal característica es que pueden realizarse procedimientos quirúrgicos en sus instalaciones y albergar por un tiempo determinado al paciente para su posterior atención. Puede atender solamente algunas especialidades y en algunos casos canalizar al paciente para su atención hacia otro hospital con la especialidad adecuada y el equipo necesario.

HOSPITAL DE TERCER NIVEL. •

Conocido también como Hospital General, puede dar atención integral a cualquier padecimiento del paciente ya que cuenta con todas las áreas de especialidad existentes. Regularmente funciona también como escuela y centro de investigación.

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7.- Mencione 6 especialidades de un hospital de tercer nivel y sus áreas de estudio y aplicación. Medicina interna

Cirugía General.

Anestesiología. Ginecología y Obstetricia Pediatría.

Cardiología. Gasterontología. Neumología. Endocrinología. Neurología. Geriatría. Hematología. Nefrología. Infectología y Alergias. Reumatología. Urología. Medicina Crítica Cirugía Plástica y Reconstructiva. Cirugía Abdominal. Cirugía Cardiovascular. Neurocirugía. Biología de la reproducción. Perinatología. Neonatología. Neurología Pediátrica.

Traumatología y Ortopedia. Dermatología. Otorrinolaringología. Oftalmología. Microbiología. Farmacología. Anatomía Patológica. Fisiología Psiquiatría. Radiología. Medicina Nuclear. Oncología y Radioterapia. Medicina del Trabajo. Medicina del Deporte. Biología molecular e Ingeniería genética. Urgencias. Laboratorio Banco de Sangre Banco de órganos.

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8.- Mencione 6 tipos de equipos invasivos utilizados en hospitales y sus funciones. Desfibriladores. Electrocauterios. Electroestimuladores. Diálisis. Diatermia. Ultrasonido. Marcapasos. Inyectores.

Endoscopios. Implantes cocleares. Litotriptor. Anestesias. Angioplastía. Bombas de Cobalto. Aceleradores Lineales. Lasers.

9.- Mencione 6 tipos de equipos de diagnóstico utilizados en hospitales y sus funciones. LABORATORIO Microscopio. Analizador. Espectrofotómetro. Contadores de células. Microtomos. Centrífugas Electrocardiógrafo. Electroencefalógrafo. Audiómetro. Electronistagmógrafo. Ultrasonido Doppler.

IMAGENEOLOGÍA Rayos X Ultrasonido Tomografía Axial Computarizada. Resonancia Magnética Nuclear. Rx-osteoporosis. Medicina Nuclear.

MEDICINA INTERNA Glucómetro. Cámara oftalmológica. Presión ocular. Banda de esfuerzo. Baumanómetro.

10.- Mencione 4 tipos de equipos de soporte vital utilizados en hospitales y sus funciones. SOPORTE VITAL. Monitores de frecuencia cardiaca, gases arteriales, respiración. Monitores de temperatura y presión arterial o intracraneal. Bombas de infusión. Cunas Térmicas. Ventiladores (respiración asistida).

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11.- Mencione 3 tipos de equipos de apoyo utilizados en hospitales y sus funciones. SOPORTE VITAL. Monitores de frecuencia cardiaca, gases arteriales, respiración. Monitores de temperatura y presión arterial o intracraneal. Bombas de infusión. Cunas Térmicas. Ventiladores (respiración asistida).

12.- Mencione 3 tipos de equipos de investigación utilizados en hospitales y sus funciones. DE INVESTIGACIÓN. Refrigeradores. Cuartos presurizados (presión positiva y negativa). Campanas aisladas. Fuentes de poder. Sistemas con control de temperatura.

13.- Defina qué es una señal. Una señal es una descripción de cómo un parámetro esta relacionado con otro. Desde una visión más práctica, podemos decir que una señal es un fenómeno que transporta información.

14.- Defina las características de continuidad en magnitud y continuidad en tiempo para las señales continuas. Continuidad en magnitud se refiere a que dentro de un intervalo seleccionado existe un número infinito de valores intermedios. La continuidad en tiempo se refiere a que la señal de información siempre esta presente, también que en un intervalo seleccionado hay un número infinito de valores intermedios con información. 15.- ¿Qué diferencia existe entre las señales continuas y las discretas? Las señales continuas, en un rango definido, pueden adquirir un número infinito de valores y siempre están presentes en el tiempo. Las señales discretas solo pueden adquirir, en un rango definido, un número finito de valores y solo están presentes en ciertos instantes. 30 de 37

INTRODUCCIÓN A INGENIERÍA BIOMÉDICA 16.Defina las características de discontinuidad discontinuidad en tiempo en las señales discretas.

en

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magnitud

y

Discontinuidad en magnitud se refiere a que, en un rango definido, la señal solo pude tomar solo ciertos valores. Discontinuidad en tiempo se refiere a que los valores de información solo están presentes en ciertos instantes.

17.- Describa los conceptos de cuatización en magnitud y en tiempo. En el proceso de conversión de una señal analógica o continua en una señal discreta que pueda ser interpretada por una computadora, las señales continuas son cuantizadas en magnitud y tiempo. La cuantización en magnitud representa una acción de redondeo o truncamiento del valor de la señal continua para asignarle un código digital equivalente, La cuantización en tiempo se refiere a que la señal continua se muestreará, por lo que se tendrá su valor solo en ciertos instantes.

18.- Determine el error de cuantización en magnitud para una señal de 0 a 10 volts que es convertida a digital por un convertidor a/d binario de 8 bits. Error cuantización = ½ (Vfs)/2n = ½ 10/28 = 10 / 512 = 0.01953 volts = 19.53 mV

19.- Describa los efectos de una corriente de 1, 10, 100 y más de 100 miliamperes en el cuerpo humano. Valor de la Corriente

Efectos

1 mA (0.001 A)

Sensación ligera u hormigueo.

10 mA (0.01 A)

Un shock lo suficiente intenso para ocasionar un movimiento involuntario de los músculos. Así, la persona pudiera no pueder soltar el conductor eléctrico.

100 mA (0.1 A) Más de 100 mA

Un shock de este tipo con duración de 1 segundo es suficiente para lisiar u ocasionar la muerte. Un shock extremadamente severo, puede ocasionar arritmia ventricular, y un cambio en el ritmo cardíaco. Causa la muerte casi instantáneamente.

20.- ¿Cuál es la resistencia del cuerpo humano seco y mojado? La resistencia del cuerpo humano varía desde alrededor de 500,000 Ω (estando seco) hasta cerca de 300 Ω (estando mojado, incluye la transpiración o sudor).

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21.- ¿Con qué voltaje puede ocurrir un accidente fatal estando el cuerpo mojado? En ciertos casos, aún con bajos voltajes (como 30 volts), se podría generar corriente suficiente para un accidente fatal. I = voltaje/res. húmeda = 30 V/300 Ω = 100 mA

22.- ¿Por qué es importante asegurar que equipos estén aterrizados? Si la línea de voltaje entra en contacto con la cubierta o carcaza de un equipo, al estar aterrizado se producirá una corriente de cortocircuito que activará las protecciones y desconectará la alimentación; si no esta aterrizado, la cubierta estará energizada y si una persona la toca puede recibir una descarga suficientemente severa para matarla sin que se activen las protecciones de sobrecarga o cortocircuito.

23.- Describa como se obtienen y ejemplos de información que ofrecen las señales de bioimpedancia. 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. 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.

24.- ¿Qué frecuencias y corrientes se aplican para la obtención de señales por bioimpedancia? 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).

25.- Describa como se obtienen y ejemplos de información que ofrecen las señales de 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

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INTRODUCCIÓN A INGENIERÍA BIOMÉDICA acústicos. Estos sonidos, conocidos como tos, pulmonares se utilizan extensivamente en medicina.

ronquidos

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y sonidos

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).

26.- Describa que son y tipos de 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. 27.- Describa como se obtienen y ejemplos de información que ofrecen las señales de 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 (po2) y de bióxido de carbono (pco2) en la sangre o en el sistema respiratorio son otros ejemplos. 28.- Describa como se obtienen y ejemplos de información que ofrecen las señales de 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. 29.- Describa como se obtienen y ejemplos de información que ofrecen las señales de bioeléctricas. 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).

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En mediciones sobre grandes grupos celulares, donde 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. Algunos ejemplos son la actividad del corazón donde se pueden detectar padecimientos tales como infartos y arritmias entre otros, del cerebro para registrar la actividad nerviosa y en el sistema muscular durante la contracción y relajación de los músculos.

30.- ¿Porqué se requiere un transductor en la adquisición de señales bioeléctricas? Se necesita un transductor porque la conducción eléctrica en el medio biológico se produce a través de iones, mientras que en el sistema de medición la conducción es mediante electrones.

31.- Defina cual es la función de los transductores en la biomedicina y que ventajas se obtienen al obtener una señal eléctrica. La función de los transductores es convertir eventos fisiológicos en señales eléctricas, aplicando también a la conversión de un tipo de energía a otro. La conversión de un evento fisiológico a una señal eléctrica permite aprovechar un máximo de información, facilitando su almacenamiento, procesamiento y desplegado.

32.- Mencione 3 métodos para convertir eventos fisiológicos en señales eléctricas y explique sus características. a).- Variación directa o indirecta de: Resistencia. Capacitancia. Inductancia. Acoplamiento magnético. b).- Efecto piezoeléctrico. c).- Efecto fotoeléctrico. d).- Medición de voltaje o corriente producidos por eventos bioquímicos. e).- Detectores de energía radiante (termografías). f).- Medición de propiedades eléctricas de materiales biológicos.

33.- ¿Qué diferencia hay entre una propiedad de transducción y un principio o método de transducción? La Propiedad de transducción es la característica singular de un evento al que se le puede aplicar un principio de transducción y que es lo que hace este evento reconocible. En tanto que el Principio de transducción es el método empleado para convertir una propiedad de transducción en una señal eléctrica.

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34.- Describa la propiedad y el principio de transducción en un medidor de CO2 en respiración. El CO2 absorbe radiación infrarroja con longitud de onda de 2.7, 4.3 y 14.7 micrones. Así, a mayor concentración de CO2 mayor será la absorción de la radiación de radiación infrarroja en esa longitud de onda. Fuente de radiación infrarroja Detector de radiación infrarroja

Flujo de aire en expiración A mayor concentración de CO2, el detector sensará menos radiación infrarroja. Así, la propiedad de transducción será la absorción de radiación infrarroja por el CO2 y el principio de transducción estará compuesto por la fuente y el detector de radiación infrarroja. 35.- Explique en que forma la resolución de la medición se obtiene en función a la singularidad de la propiedad de transducción y a la selectividad del principio o método de transducción. La singularidad de la propiedad de transducción se refiere a que solo el evento fisiológico a ser medido presente esa propiedad de tal forma que no se vea afectado por otros eventos. La selectividad del principio o método de transducción se refiere a que el equipo de medición solo adquiera señales relacionados con el evento fisiológico y tenga un alto rechazo a otros eventos. A máxima singularidad de la propiedad de transducción y mayor selectividad del principio o método de transducción se tendrá mayor resolución en la medición. 36.- ¿Qué enuncia la primera regla de instrumentación – Kelvin? El instrumento de medición no debe alterar el evento a medir. 37.- ¿Qué características definen que tan bien el transductor puede lograr realizar la reproducción del evento? La Linealidad en amplitud y su respuesta a la frecuencia y a distorsión de fase.

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38.- ¿Qué se entiende por linealidad? Capacidad del transductor a producir una señal de salida que sea directamente proporcional a la amplitud de la entrada.

39.- ¿Qué se entiende por histéresis? Capacidad del transductor de producir una salida que siga a la entrada independientemente de la dirección de cambio de la entrada.

40.- ¿Qué se entiende por respuesta a la frecuencia? Se refiere a la capacidad del transductor a producir una señal que siga los cambios rápidos y lentos sin atenuación en amplitud.

41.- ¿Qué se entiende por corrimiento de fase? Se refiere a la capacidad del transductor a producir una señal que siga los cambios rápidos y lentos sin retraso en tiempo.

42.- ¿Qué diferencia hay entre precisión y exactitud? Precisión se refiere al grado de reproducibilidad de la medición en tanto que Exactitud es una medida de que tan cercano esta el valor medido con respecto al valor verdadero.

43.- ¿Qué es un histograma? De una serie de valores medidos se divide el rango en una serie de intervalos iguales y se determina sus frecuencias, esto es, cuantos valores aparecen en cada intervalo. Finalmente se realiza una gráfica de rectángulos (gráfica de barras).

44.- ¿Qué característica tiene la curva de distribución normal (Gausiana)? La curva de distribución normal (Gausiana) asigna el mismo peso a todas las mediciones y asume que son más probables los errores pequeños que los grandes.

45.- ¿Cuál es la medida de dispersión en una distribución normal? La medida de la dispersión de una distribución normal es la desviación estándar.

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46.- ¿En que forma se calcula la desviación estándar? La desviación estándar esta definida como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las desviaciones de la media dividida por el número de mediciones.

47.- Si la curva de distribución de las mediciones es normal, ¿Qué indica la desviación estándar? Si la curva de distribución de frecuencias puede describirse como una distribución normal, se puede mostrar que el 68.27 % de las mediciones caerán en el rango de la media +/- una desviación estándar, y si se abriera el intervalo a +/- 2 desviaciones estándar tendríamos el 95.45 % y abriéndolo a +/- 3 desviaciones estándar el 99.73 %.

48.- ¿Qué significa tener, en un medidor de presión arterial, una desviación estándar de 2 mm de Hg? Que si hacemos una serie de mediciones de presión arterial tendremos la confianza de que un 68.27 % de las mediciones caerán en el rango del valor medio +/- 2 mm de Hg. Una confianza de un 95.45 % de que las mediciones caerán en el rango del valor medio +/- 4 mm de Hg. Una confianza de un 99.73 % de que las mediciones caerán en el rango del valor medio +/- 6 mm de Hg.

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