TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2

TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS. 6-1 OBJETIVOS. 6-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN. 6-3 ADQUISICIÓN DE SEÑALES. 6-4 TRANSDUCCIÓN. 6-5 SENSORES ACTIVOS CONTRA SENSORES PASIVOS. 6-6 CAUSAS DE ERROR EN SENSORES. Errores de Inserción. Errores de Aplicación. Errores Característicos. Errores Dinámicos. Errores del Medio Ambiente. 6-7 TERMINOLOGÍA EN SENSORES. 6-8 TÉCNICAS Y PROCESAMIENTO DE SEÑAL PARA MEJORAR EL SENSADO. 6-9 ELECTRODOS PARA SENSADO DE EVENTOS BIOFÍSICOS. Potencial de Electrodo. Modelo del Circuito de Electrodo. Causas de problemas de registro. 6-10 ELECTRODOS DE SUPERFICIE. Electrodos de Superficie Comunes. Problemas con Electrodos de Superficie. Electrodos de Aguja. Electrodos Internos. Electrodos EEG. 6-11 MICROELECTRODOS. 6-12 CUESTIONARIO.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS. 6-1 OBJETIVOS. 1.- Entenderá las características básicas aplicadas a sensores. 2.- Reconocerá las causas de error de medición en la aplicación de sensores. 3. Será capaz de indicar los problemas asociados con la adquisición de biopotenciales. 4. Será capaz de listar los diferentes tipos de electrodos usados en la adquisición de biopotenciales.

6-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN. Estas preguntas evalúan tus conocimientos previos de este capítulo. Observa las respuestas conforme vas leyendo el texto. 1.- ¿Qué diferencia hay entre propiedad y principio de transducción? 2.- ¿Cuál es la primera regla de la instrumentación? 3.- ¿Qué significa, en un transductor de presión arterial, una sensitividad de 10 μV/V-mm Hg? 4.- ¿Qué problema genera operar con un ancho de banda muy amplio? 5.- Defina el término media celda (half-cell) y potencial de corrimiento de electrodo (electrode offset potencials). 6.- Describa el electrodo de columna. ¿Cual es la principal ventaja del electrodo de columna?

6-3 ADQUISICIÓN DE SEÑALES. La mayoría de los instrumentos biomédicos son dispositivos electrónicos y por lo tanto deben tener algún tipo de señal eléctrica como entrada. Cuando se adquiere un biopotencial se requiere algún tipo de electrodo entre el paciente y el instrumento. En otros casos, se utilizará un transductor para convertir un estímulo o parámetro físico no eléctrico, tal como fuerza, presión, temperatura, etc. a una señal eléctrica analógica proporcional al valor o magnitud del parámetro o estímulo original. Definición: Un transductor es un dispositivo que convierte alguna forma de energía, producida por un estímulo físico, en una señal eléctrica analógica proporcional al valor o magnitud del estímulo.

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6-4 TRANSDUCCIÓN. Es necesario entender la relación entre los conceptos de principio de transducción y propiedad de transducción. Una propiedad de transducción es una característica del evento físico que es, en forma singular (esa característica se presenta en ese evento físico y no en otros eventos cercanos), capaz de representar ese evento y que puede ser transformada, mediante algún dispositivo o proceso (principio de transducción), en una señal eléctrica. Por ejemplo, el bióxido de carbono (CO2) absorbe ondas electromagnéticas con longitudes de onda de 2.7, 4.3 y 14.7 μm; aún cuando el agua (vapor de agua) absorbe radiación en 2.7 μm (en una grado muy pequeño) es posible construir un sensor infrarrojo (IR) que responda ya sea a 4.3 0 14.7 μm o a todas las longitudes de onda anteriores para la medición de CO2 que pudiera contener un gas, tal como el aire. Los monitores de volumen expirado de CO2 usados en terapia respiratoria, cuidados intensivos y anestesias, utilizan sensores infrarrojos. El principio de transducción es el proceso de convertir la propiedad de transducción en una señal eléctrica que pueda ser enviada a la entrada de un instrumento de medición.

6-5 SENSORES ACTIVOS CONTRA SENSORES PASIVOS. Otra de las ambigüedades encontradas en temas de sensores biomédicos es la distinción entre sensores pasivos y activos. Desafortunadamente, diferentes autores utilizan diferentes (y aún opuestas) definiciones de estos términos, este tema adopta el criterio utilizado por la mayoría de los profesionales en el campo de la instrumentación biomédica, la cual es consistente con su uso en otras áreas de aplicación de electrónica. Un sensor activo requiere la alimentación de una fuente de poder de CA o CD. Un ejemplo es el sensor de presión que utiliza galgas extensiométricas resistivas, el cual requiere para operar la alimentación de una fuente de voltaje regulada de +7.5 VCD. Sin ese voltaje de excitación externa no habría señal de salida del sensor. Un sensor pasivo, a diferencia de uno activo, produce su propia energía o utiliza la energía del fenómeno que esta siendo medido. Un ejemplo del último caso es el termopar, el cual es utilizado para medir temperatura. Desafortunadamente algunos autores invierten estas definiciones, pero si adopta las definiciones presentadas, será consistente con la mayor parte de la literatura técnica y textos de instrumentación.

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6-6 CAUSAS DE ERROR EN SENSORES. Los sensores, como muchos otros dispositivos muestran cierto error. Siendo consistente, el error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Como esta fuera del alcance de este tema presentar el rango completo de posibles errores, se dividirán en cinco categorías básicas de error: de inserción, de aplicación, característicos, dinámicos y de medio ambiente. a) Errores de Inserción. Este tipo de error ocurre cuando se inserta el sensor dentro del sistema que esta bajo medición, lo cual es un problema generalizado en todas las mediciones realizadas en circuitos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo, cuando medimos el voltaje en un circuito, deberemos estar seguros que la impedancia inherente (interna) del voltímetro sea mucho mayor que la impedancia en el circuito; de otra manera estaremos “cargando” al circuito y la lectura tendrá un error significativo. Posibles fuentes de esta forma de error incluye usar un transductor demasiado grande, que afecte el estado del sistema, o un sensor demasiado lento que agregue inercia a la dinámica del proceso, o uno que se caliente a sí mismo, añadiendo energía térmica al sistema. En el siglo XIX Lord Kelvin formuló la primera regla de la instrumentación: El instrumento de medición no deberá alterar el evento que esta siendo medido. b) Errores de Aplicación. Estos errores son causados por el operador o quién realiza la medición, la mejor forma de visualizarlos es mediante los siguientes ejemplos. Un error visto frecuentemente en la medición de temperatura es la colocación incorrecta del sensor o el incorrecto aislamiento del sensor del sitio de medición. Este problema se presenta en la medicina clínica, en termómetros digitales, cuando la cubierta sanitaria que cubre al sensor no se ha limpiado correctamente. Otro caso de este tipo de error se presenta en los sensores para medición de presión sanguínea, cuando no se purga el sistema de aire (burbujas en la línea), además de colocar físicamente de manera incorrecta el transductor (abajo o arriba de la línea del corazón) de tal forma que se añade una presión positiva o negativa al valor real. c) Errores Característicos. Estos errores son, en si mismos, inherentes al dispositivo, por ejemplo debidos a la diferencia entre las características ideales (función de transferencia) publicadas por el fabricante y las características reales del dispositivo. Esta forma de error pudiera ser agregar un valor de corrimiento de CD (DC offset), una pendiente (ganancia) incorrecta o una pendiente no perfectamente lineal.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 d) Errores Dinámicos. Producidos por la incapacidad del transductor de seguir cambios rápidos en su entrada. Muchos sensores se calibran en condiciones estáticas (con el parámetro de entrada constante (estático) o casi constante. Por otra parte, muchos sensores presentan características dinámicas con un amortiguamiento muy alto (sobreamortiguados) o una alta constante de tiempo, de tal forma que no responderán ante cambios rápidos a su entrada. Por ejemplo, los termistores tienden a requerir muchos segundos para responder a un cambio escalón de temperatura. Esto es, un termistor en equilibrio no cambiará inmediatamente a un nuevo valor de resistencias ante un cambio abrupto de temperatura; cambiará lentamente hacia su nuevo valor. Por lo tanto, si se tienen cambios rápidos de temperatura y son detectados por un sensor lento, la forma de onda de salida estará distorsionada y producirá un error transitorio. Los parámetros que hay que revisar en relación a errores dinámicos son: Tiempo de respuesta, distorsión en amplitud y distorsión en fase. e) Errores del Medio Ambiente. Estos errores son producidos por el ambiente en el cual se usa el sensor. Estos errores pueden ser producidos por la temperatura ambiente, vibración, golpes, altitud, exposición a sustancias químicas, etc. Estos factores frecuentemente afectan los errores característicos del sensor, de tal forma que, en aplicaciones prácticas, algunas veces están combinados con esta categoría.

6-7 TERMINOLOGÍA EN SENSORES. Los sensores, como en algunas otras áreas de la ingeniería, tienen cierta terminología que deberá ser comprendida antes de ser debidamente aplicada. A continuación se presenta la terminología básica de aplicación de sensores. a) Sensitividad. La sensitividad del sensor se define como la pendiente de la curva característica de salida a entrada (ΔY/ΔX en la Figura 6-1). En ciertos sensores la sensitividad se define como el cambio en el parámetro de entrada requerido para producir un cambio estandarizado en la salida. En otros, se define como un cambio en el voltaje de salida para un cambio dado en el parámetro de entrada. Por ejemplo, un medidor de presión sanguínea típico pudiera tener una sensitividad de 10 μV/V-mm Hg; esto es, habrá una salida de voltaje de 10 μV por cada volt de excitación y cada milímetro de mercurio de presión aplicada al transductor.

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Figura 6-1 Característica Ideal y Error de Sensitividad b) Error de Sensitividad. El error de sensitividad es la desviación en relación a la pendiente de la característica ideal de salida a entrada (se muestra como una curva punteada en la Figura 6-1). Por ejemplo, en el transductor de presión visto anteriormente pudiera tener una sensitividad real de 8.8 μV/V-mm Hg en lugar de los 10 μV/V-mm Hg, lo cual produciría un error de sensitividad de 1.2 μV/V-mm Hg. c) Rango. El rango de un sensor esta relacionado con los valores mínimo y máximo que se permite aplicar a la variable o parámetro a ser medido. Por ejemplo. Un sensor de presión puede tener un rango de -400 a +400 mm Hg. En ciertos casos el rango positivo y negativo no es simétrico, esto es, presentan valores distintos. Por ejemplo, cierto tipo de transductor de presión sanguínea esta especificado para tener como límite mínimo (presión negativa o vacío) -50 mm Hg. (Ymin en la figura 6-1) y un límite máximo (presión positiva) de +450 mm Hg. (Ymax en la figura 6-1); este tipo de especificaciones no simétricas se presentan frecuentemente.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 Una de las razones por las que algunos doctores y enfermeras algunas veces destruyen los sensores de presión sanguínea es cuando intentan extraer sangre a través de una línea arterial sin prestar atención a la posición de la llave de paso que conecta al transductor de presión. Una pequeña jeringa puede ejercer un tremendo vacío transitorio en un sistema cerrado, produciendo que se sobrepase la especificación mínima, dañando al sensor de presión. d) Rango Dinámico. El rango dinámico es el rango total del sensor desde el valor mínimo hasta el valor máximo. Esto es, en la figura 6-1, Rdyn = Ymax - |-Ymin|. e) Precisión El concepto de precisión se refiere al grado de reproducibilidad de una medición. En otras palabras, si hiciera un gran número de veces la medición con una misma entrada, un sensor ideal deberá mostrar siempre exactamente la misma salida. La salida de los sensores reales, durante mediciones repetidas, presenta un rango de valores distribuidos alrededor del valor real. Por ejemplo, suponga que se aplica una presión exacta de 150 mm Hg. a un sensor. Aun si la presión aplicada nunca cambiara, los valores de salida del sensor presentaran una cierta variación, la cual estará directamente relacionada con su precisión (menor variación -> mayor precisión). Aún cuando pudiéramos esperar que el valor promedio de las mediciones estuviera en el valor real, en ciertos casos se presenta un corrimiento; esto tendrá relación con la exactitud del dispositivo. f) Resolución. Esta especificación es el cambio incremental más pequeño del parámetro de entrada que puede ser detectado en la señal de salida. La resolución puede ser expresada, ya sea como una proporción de la lectura de plena escala o términos absolutos. g) Exactitud. La exactitud de un sensor es la diferencia máxima que existe entre el valor real o verdadero (medido por un patrón estándar primario o uno secundario de buena calidad) y el indicado a la salida del sensor. De nuevo, la exactitud puede ser expresada como un porcentaje de la escala plena (% FS) o en términos absolutos. h) Corrimiento (Offset). El error de corrimiento (offset) de un sensor o transductor se define como la magnitud de la señal de salida que existe cuando debiera ser cero o, en otros casos, la diferencia entre el valor real de la salida y el valor especificado de salida bajo ciertas condiciones particulares.

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Figura 6-2 Curva típica de un electrodo de pH mostrando su cambio (corrimiento - offset) debido a la temperatura. Un ejemplo del primer caso, en términos de la Figura 6-1, se tendría si la sensitividad real es igual que la ideal pero atravesando el eje de las Y (salida) en b en lugar de cero. El segundo caso se ejemplifica en la Figura 6-2 con la característica de un electrodo de pH. La característica ideal se presenta solamente a una temperatura (generalmente 25°C), en tanto que la característica real estará entre los límites de la temperatura mínima y la máxima, dependiendo de la temperatura de la muestra y el electrodo. i) Linealidad. La linealidad de un transductor es una expresión del grado con que la característica real de un sensor difiere de la ideal. La figura 6-3 muestra una relación (algo exagerada) entre la característica ideal y el valor medido por el sensor.

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Figura 6-3 Error de linealidad.

La linealidad algunas veces se especifica en término de porcentaje de no linealidad, lo cual se define como:

No linealidad (%) =

D in (max) IN f.s.

× 100

donde: No Linealidad (%) = porcentaje de no linealidad. Din(max) = es la máxima desviación de entrada. INf.s. = Valor de plena escala (fs) de la entrada. La no linealidad frecuentemente esta sujeta a factores ambientales, tales como temperatura, vibración, niveles de ruido acústico y humedad. Es muy importante conocer bajo que condiciones es válida la especificación, cualquier desviación de estas condiciones podrían generar cambios no lineales.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 j) Histéresis. Un transductor deberá ser capaz de seguir los cambios del parámetro de entrada independientemente de la dirección del cambio; la histéresis es la medición de esta propiedad. La figura 6-4 muestra una curva característica típica. Note la diferencia producida por el sentido de cambio en la entrada.

Figura 6-4 Curva de Histéresis.

k) Tiempo de respuesta. Los sensores no cambian su valor de salida inmediatamente cuando ocurre un cambio en el parámetro a su entrada. En lugar de eso, la salida cambiará a su nuevo valor después de un periodo de tiempo, el cual es llamado Tiempo de Respuesta (Tr en la Figura 6-5). El tiempo de respuesta esta definido como el tiempo requerido para que la salida de un sensor cambie desde un valor inicial a un valor final establecido dentro de una banda de tolerancia. Este concepto es diferente al concepto de constante de tiempo (T) del sistema. La constante de tiempo esta relacionada con el tiempo que, ante una entrada escalón, un dispositivo o sistema de primero orden tarda en llegar a un 63 % (que en ciertos casos se aproxima a un 70%) de su valor en estado estable (recuerde la respuesta escalón de la carga de un capacitor a través de una resistencia).

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Figura 6-5 Tiempo de Respuesta. La Figura 6-5 muestra dos tipos de tiempo de respuesta. En la figura 6-5a la curva representa la respuesta en el tiempo seguida de un cambio escalón positivo como parámetro de entrada. La forma que se muestra en la figura 6-5b es el Tiempo de decaimiento (Td para distinguirlo de Tr , que generalmente no será el mismo) en respuesta a un cambio escalón negativo del parámetro de entrada. l) Linealidad Dinámica. La linealidad dinámica del sensor es la medición de su capacidad para seguir cambios rápidos en el parámetro de entrada en todo el rango de operación. Las características de Distorsión de Amplitud, Distorsión de Fase y Tiempo de Respuesta son parámetros muy importantes en la determinación de su linealidad dinámica. Dado un sistema de baja histéresis (algo siempre deseable), la respuesta de amplitud puede ser representada por la siguiente función.

F(x) = ax1 + bx 2 + cx 3 + dx 4 + ........ + k

(6-2)

En la ecuación 6-2, el término F(x) es la señal de salida, en tanto que x1..n representa la componente fundamental de entrada y sus componentes armónicas, y k es una constante de corrimiento (offset, si existe). Las armónicas se vuelven especialmente importantes cuando se producen armónicas por la acción del sensor y esas armónicas (de error) caen en el mismo ancho de banda que las armónicas producidas por el cambio dinámico del parámetro de entrada. Todas las formas de onda continuas pueden ser representadas, mediante las series de Fourier, en una onda senoidal fundamental y componentes armónicas. En cualquier forma de onda no senoidal, como los cambios en el tiempo de un parámetro físico, las armónicas registradas serán aquellas que puedan ser detectadas por el sensor.

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6-8 TÉCNICAS Y PROCESAMIENTO DE SEÑAL PARA MEJORAR EL SENSADO. La selección de sensores y sus circuitos (de excitación y amplificación de señal) son parte de un largo camino para asegurar que los datos adquiridos representarán en forma exacta al fenómeno o evento físico a ser medido y registrado. Para una operación apropiada ante entradas dinámicas, el sensor seleccionado deberá tener una curva de respuesta plana, libre de distorsión en amplitud, distorsión de fase (lo cual invariablemente causará una distorsión en amplitud), oscilaciones y resonancias. Una consecuencia de estos problemas es, en relación con la respuesta a la frecuencia del sensor, el procesamiento de su señal. La figura 6-7a muestra un sistema con respuesta a la frecuencia perfectamente lineal, en el cual la ganancia es constante a través del espectro completo de frecuencias de CD hasta una frecuencia infinita.

Figura 6-7Respuesta a la frecuencia (a) ideal BW = ∞ y (b) de un sistema real (BW = pasa banda) Pero los sistemas reales no tienen estas características. La figura 6-7b muestra el tipo de respuesta a la frecuencia que podríamos esperar en sistemas reales. En este ejemplo, la ganancia es plana (constante) entre dos frecuencias, y a través de esta región el comportamiento es similar al caso ideal. Pero más allá de estos puntos, la ganancia cae. El punto de partida que define la región plana es, por convención, tomada de las frecuencias (FL y FH) en las cuales la ganancia cae hasta un 70.7% de su valor en la región plana. Estos puntos son conocidos como los puntos de -6 dB en sistemas de voltaje y -3 dB en sistemas de potencia. Cuando la respuesta a la frecuencia no es enteramente plana, uno puede anticipar que encontraremos distorsiones de fase. La figura 6-7c muestra la situación en la cual el cambio de fase del sistema es función lineal de la frecuencia (línea sólida) y aquella en la cual no es una función lineal de la frecuencia (línea punteada).

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Figura 6-7c Cambio de fase ante frecuencia (típica de un sensor).

Podemos ver el efecto de la distorsión de fase en un ejemplo muy simple de sensado mostrado en la figura 6-8. Figura 6-8 Efectos de no linealidades en fase: a) onda cuadrada de entrada. b) retraso de propagación en sensor y circuito ideal . c) caída de ganancia a bajas frecuencias. d) oscilaciones (ringing).

La figura 6-8a es la salida de un sensor ideal en repuesta a un cambio escalón del parámetro de entrada (que se desea medir). Si el sensor y el procesamiento electrónico de su señal son perfectamente ideales, entonces el único efecto del cambio del cambio será un desplazamiento en Tiempo (T), como lo muestra la figura 6-8b. No habrá distorsión de la forma de onda. Pero ante la presencia de distorsión de fase, la onda no solamente se desplazará en el tiempo, sino también se distorsionará. La figura 6-8c y 6-8d muestran dos formas de distorsión que pueden ocurrir debido a una no linealidad en fase.

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La Figura 6-10 muestra una vista diferente del mismo fenómeno. Considere un sistema en el cual el ancho de banda puede ser variado a través de varios límites, representados por las curvas a, b, y c en la figura 6-9.

Figura 6-9 Casos de ejemplo de respuesta a la frecuencia ante diferentes anchos de banda (BW). La curva c es la mas restrictiva ya que sus limites de respuesta a la frecuencia indican un ancho de banda menor; en tanto que la curva a es la menos restrictiva (ancho de banda mayor). Note en la figura 6-10 las respuestas presentes ante una señal cuadrada para los 3 anchos de banda definidos en la figura 6-9. Así, las curvas de respuesta a la frecuencia pueden ser inferidas al evaluar la respuesta de filtros activos o redes RC (resistencia-capacitor) a señales de entrada en forma de onda cuadrada.

Figura 6-10 Respuesta a la frecuencia para una onda cuadrada.

Algo que podríamos asumir erróneamente, de lo citado anteriormente, es que el diseñador del equipo de medición o instrumento deberá seleccionar aquel amplificador con un ancho de banda tan amplio como sea posible. Ese no es correcto debido a que el ancho de banda puede causar otro tipo de problemas, al menos tan severos, como el que intenta resolver. El ruido, por ejemplo, es proporcional al ancho de banda. Al seleccionar adecuadamente los puntos de corte de respuesta a la frecuencia es posible eliminar el problema del ruido, además de ciertos problemas en la señal de entrada, tales como oscilación y resonancias. Así, la selección del ancho de banda del amplificador y la característica de distorsión de fase es una negociación entre la necesidad de tener un registro o medición de alta fidelidad del evento de entrada y otros problemas (como ruido) que pudieran estar presentes en el sistema.

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6-9 ELECTRODOS PARA SENSADO DE EVENTOS BIOFÍSICOS. La Bioelectricidad es un fenómeno que ocurre en forma natural y se produce por el hecho de que los organismos vivos contienen iones en proporciones diferentes. El proceso de conducción iónica es diferente al de conducción de electrones o conducción electrónica (la cual seguramente le es más familiar). La conducción iónica consiste en la migración de iones (moléculas cargadas positivamente o negativamente) a través de una región, en tanto que la conducción de electrones (eléctrica) consiste en el flujo de electrones bajo la influencia de un campo eléctrico. Cuando la concentración de iones es diferente entre dos puntos se produce una diferencia de potencial. Cuando tratemos con la conducción iónica a detalle, encontraremos que es un fenómeno muy complejo con características no lineales. Pero para aplicaciones de señales muy pequeñas, donde solo hay un muy pequeño flujo de corriente, se considera aceptable una aproximación de primer orden en el modelado de la corriente eléctrica entre dos puntos que presentan una diferencia de potencial. Un químico encontraría deficiente este modelo, excepto en las clases elementales de química, lo cual es debido a que ellos requieren una mejor comprensión de estos fenómenos que el que requiere un especialista en instrumentación. Mantenga en mente que en situaciones con un mayor flujo de corriente se requeriría un modelo de orden superior. Los bioelectrodos son una clase de sensores que convierten la conducción iónica a conducción electrónica, de tal forma que la señal pueda ser procesada en circuitos electrónicos. Los bioelectrodos se utilizan frecuentemente para adquirir señales bioeléctricas clínicamente significativas, tal como electrocardiogramas (ECG), electroencefalogramas (EEG), y electromiografías (EMG). La mayoría de las señales bioeléctricas son adquiridas de una de los siguientes tres formas de electrodos: macroelectrodos de superficie, macroelectrodos internos (indwelling) y los microeléctrodos. De estos, los primeros dos se usan generalmente en vivo, en tanto que el último se usa en vitro. En este apartado presentaremos la adquisición de biopotenciales con los tipos de electrodos más frecuentemente utilizados en instrumentación biomédica. Nuevamente, esta presentación es básica y representativa para la mayoría de los casos; no intenta ser exhaustiva, ya que el tema es muy amplio y complejo (actualmente existen libros completos que tratan únicamente el tema de bioelectrodos).

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 Potencial de Electrodo. La piel y tejidos de organismos vivos superiores, tal como el ser humano, son entes electrolíticos; así, pueden ser modelados como soluciones electrolíticas. En algunos modelos se presenta como una solución salina, reflejando de hecho que los seres humanos somos muy similares, en composición, al agua con sal. Imagine un electrodo metálico inmerso en una solución electrolítica (Figura 6-11). Casi inmediatamente después de su inmersión, el electrodo empezará a descargar algunos iones metálicos en la solución, en tanto que los iones de la solución empezarán a combinarse con el electrodo metálico. Esto es, por cierto, el fenómeno químico en el cual se basan los procesos de galvanizado y anodizado.

Figura 6-11 Electrodo metálico inmerso es solución electrolítica. Después de una breve espera, se formará un gradiente de carga, produciendo una diferencia de potencial, llamado potencial de electrodo (Ve en al Figura 6-11), o potencial de media celda. Recuerde que esta diferencia de potencial puede ser producida por las diferencias en concentración de un solo tipo de ion. Por ejemplo, si se tienen dos iones positivos (++) en un lugar (digamos A) y tres iones positivos (+++) en otro lugar (digamos B) entonces habrá una diferencia de potencial de 3-2=1 ion, donde el punto B es mas positivo que el punto A. En la interfase electrodo/electrolito pueden presentarse dos tipos de reacciones: Una reacción de oxidación que hace metal-> electrones + iones del metal. Una reacción de reducción que hace electrones + iones del metal -> metal. Se presenta un fenómeno complejo en la interfase entre el electrodo metálico y el electrolito, los iones migran hacia uno u otro lado de la región formando dos capas paralelas de iones con carga opuesta; esta región se denomina doble capa del electrodo (electrode double layer) y estas diferencias iónicas son la fuente del potencial de electrodo o potencial de media celda (Ve). Así, diferentes metales exhiben diferentes potenciales de media celda, como se muestra en la Tabla 6-1. 16 de 33

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Tabla 6-1 Potenciales de media celda de elementos comunes. Por acuerdo científico internacional, el punto de referencia cero cuando hacemos la medición de un potencial de media celda es el electrodo hidrogeno-hidrogeno (H-H), al cual se le asigna, por convención, un potencial de cero. Todos los otros potenciales de media celda de los demás tipos de electrodos se miden contra la referencia cero del electrodo H-H; así, todos los potenciales de media celda mostrados (para diferentes tipos de electrodo) es la diferencia de potencial entre el electrodo y el electrodo de referencia H-H. Ahora, considere lo que sucede cuando dos electrodos (llamados A y B), hechos de materiales diferentes, están inmersos en la misma solución electrolítica (figura 6-12).

Figura 6-12 Metales diferentes inmersos en una solución electrolítica común producirá diferentes potenciales. 17 de 33

TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 Cada electrodo presentara su propio potencial de media celda (Vea y Veb), y si los dos metales son realmente diferentes, los dos potenciales serán diferentes (Vea ≠ Veb), y debido a la diferencia de estos dos potenciales de media celda existirá una diferencia de potencial neta (Ved) entre ellos que producirá una corriente de electrones (Ie) que fluirá a través de un circuito externo. La diferencia de potencial, frecuentemente llamada potencial de offset (corrimiento) de electrodo (electrode offset potential) es, para el caso de bajo nivel de señal, una aproximación de primer orden que se define como: Ved = Vea - Veb

(6-5)

Por ejemplo, considere el caso donde un electrodo de oro (Au+) esta inmerso en la misma solución electrolítica que un electrodo de plata (Ag-). En esta situación Ved = Vea(Au) - Veb(Ag)

(6-6)

Ved = (+1.50 V) – (+0.80 V) = 0.70 V

(6-7)

O en el caso frecuentemente visto de cobre (Cu++) y plata (Ag+), los cuales pueden estar, erróneamente, en circuitos electrónicos que usan cables de conexión de cobre. Ved = Vea(Ag) - Veb(Cu) Ved = (+0.80 V) – (+0.34 V) = 0.46 V

(6-0)

El potencial offset del electrodo será cero cuando los dos electrodos estén hechos de materiales idénticos, lo cual es el caso común en sensado bioeléctrico. Así, cuando se diseñan electrodos para sensado bioeléctrico se debe prestar especial atención a la selección de sus materiales. La selección de los materiales, como lo haremos notar mas tarde, afectara los potenciales de offset de media celda. Para la combinación de los materiales existen dos categorías generales. Un electrodo perfectamente polarizado o perfectamente no reversible es aquel en el cual no hay transferencia neta de carga a través de la interfase metal/electrolito; en estos electrodos, solo se presentara uno de los dos tipos de reacciones químicas (oxidación o reducción). Por otra parte, en un electrodo perfectamente no polarizado o perfectamente reversible existe una libre transferencia de carga entre el metal del electrodo y el electrolito. En general, se debe seleccionar un electrodo reversible, tal como el de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl). Para los metales, los fluidos corporales son terriblemente corrosivos, por lo cual no todos los materiales son indicados para sensado bioeléctrico. Por otra parte, algunos materiales que forman electrodos reversibles (por ejemplo, zincsulfato zinc) son tóxicos para tejidos vivos y por lo que no deben utilizarse. Debido a esto, algunos materiales como los metales oro y platino, algunas aleaciones de tungsteno, plata-cloruro de plata, y un material llamado platino-platino negro se usan para construir electrodos de biopotenciales.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 En general, para uso médico y para el registro superficial de biopotenciales, el electrodo más utilizado es el de plata-cloruro de plata. A menos que se indique otra cosa, vamos a asumir que este material es el usado en electrodos clínicos. La figura 6-13 muestra por qué el electrodo de plata-cloruro de plata es el más popular para los diseñadores de instrumentos médicos. Estos electrodos consisten de un cuerpo de plata donde se deposita una delgada capa de cloruro de plata. El cloruro de plata provee una doble vía para intercambio de iones de Ag+ y Cl-. Cuando se fabrican electrodos de plata-cloruro de plata, es necesario usar en el proceso plata espectroscopicamente pura, esta plata es 99.999 % pura que es un grado mucho mayor a la plata utilizada en joyería (plata silversmith es 99.9 pura y la plata Sterling es 92.5 % plata y 7.5 % cobre).

Figura 6-13 Electrodo biomédico plata-cloruro de plata

Modelo del Circuito de Electrodo. La figura 6-14a muestra el modelo de un circuito de un electrodo biomédico de superficie. Este modelo es aproximadamente el circuito equivalente de los electrodos para ECG y EEG. En este circuito se utiliza un amplificador diferencial para el procesamiento de señales, por lo que cancela el efecto del potencial de media celda Vea y Veb. La resistencia Rτ representa las resistencias internas del cuerpo, las cuales son típicamente algo bajas. La señal del biopotencial es representada como un voltaje diferencial, Vd. Las otras resistencias en el circuito representan las resistencias de contacto de la interfase electrodo/piel. Un aspecto inesperado de la Figura 6-14a son los valores usuales asociados con los capacitores C1A y C1B que, aun cuando se pudiera esperar cierta capacitancia en el contacto, lo que sorprende es que sus valores puedan llegar a ser de algunos microfaradios (generalmente se considera un valor de 10 μF). Cuando se usan dos o más electrodos, lo que en registro de eventos fisiológicos es casi siempre, el voltaje diferencial entre ellos es su suma algebráica.

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Figura 6-14 Electrodos Biomédicos. a) Modelo de circuito para un electrodo b) Dos electrodos biomédicos producen una diferencia de voltaje.

Causas de problemas de registro debido a potenciales de electrodos. El potencial de media celda del electrodo viene a ser un serio problema en la adquisición de señales bioeléctricas debido a la enorme diferencia entre esos potenciales de CD y los de los biopotenciales. Un potencial de media celda típico para un electrodo biomédico es de 1.5 V, en tanto que los biopotenciales son mas de 1000 veces menores. La manifestación, en la superficie de la piel, de una señal de ECG es de 1 a 2 mV, mientras que los de cabeza de un EEG son de unos 50 μV. Así, el voltaje de media celda de un electrodo es 1500 veces mayor que el potencial pico de la señal de un ECG y 30,000 veces mayor a la de señal de un EEG. 20 de 33

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El diseñador de instrumentos deberá contar con una estrategia para superar los efectos del potencial de corrimiento (offset) de media celda. Ya que el potencial de media celda forma una componente de CD muy grande en comparación con el minúsculo voltaje de señal, es necesario encontrar una técnica apropiada que utilice una combinación de las siguientes estrategias. 1.- Para la adquisición de señal podemos usar un amplificador diferencial de CD. Si los electrodos son idénticos, entonces los potenciales de media celda son los mismos. Teóricamente, por lo menos, los potenciales iguales serán vistos como potenciales de modo común y por lo tanto cancelado en la salida. Una limitación de esta estrategia es que la alta ganancia requerida para procesar estas señales de bajo nivel también opera amplificando pequeñas diferencias entre los potenciales de las dos medias celdas. Una diferencia de 1mV entre dos medias celdas, solo 0.1 % del total, aparece como cualesquier señal de CD de 1 mV en un amplificador ECG con ganancia de 1,000. 2.- El circuito de adquisición de señal deberá ser diseñado para proveer una cancelación del corrimiento de voltaje y en esta forma eliminar el potencial de media celda del electrodo. Aún cuando esta estrategia presenta cierto atractivo, esta limitado por el hecho de que el potencial de media celda cambia con el tiempo y con el movimiento relativo entre la piel y el electrodo. El movimiento del electrodo puede causar un cambio muy amplio en el corrimiento de voltaje. 3.- Podemos utilizar un acoplamiento de CA a la entrada del amplificador. Esta estrategia permite eliminar la componente de corrimiento de CD de la señal. Esta opción es posiblemente la más atractiva, sobre todo cuando las variaciones del corrimiento de voltaje de CD son sustancialmente de más bajas frecuencias que los componentes de frecuencia de la señal. En este caso, el límite de -3 dB de respuesta a la frecuencia puede utilizarse para fijar el nivel de atenuación a las variaciones del corrimiento (offset) de voltaje de CD. En algunas aplicaciones biomédicas, sin embargo, las componentes de la señal están muy cercanas a CD. Por ejemplo, el contenido de frecuencias de una señal de ECG está entre 0.05 a 100 Hz. En equipos de ECG se puede esperar que el corrimiento (offset) de voltaje cambie cada vez que el paciente se mueva sobre la cama. Para amplificadores de biopotenciales la mayoría de las veces se seleccionan la primera y tercera opción, así se requerirá, para adquisición de señales bioeléctricas, un amplificador diferencial con acoplamiento para CA.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 6-10 ELECTRODOS DE SUPERFICIE. Los electrodos de superficie son aquellos que se colocan para estar en contacto con la piel del paciente. Dentro de esta categoría están los electrodos de aguja, con la excepción de los utilizados para se insertados en dentro de una célula (los cuales son llamados microelectrodos). También, existen ciertas bases para incluir los electrodos de aguja en los electrodos internos, pero en ingeniería biomédica generalmente no se hace esta clasificación. Los electrodos de superficie (a excepción de los de aguja) presentan diámetros que varían desde 0.3 hasta 0.5 cm y en algunos casos hasta 1 cm. La piel humana tiende a tener una muy alta impedancia comparada con la de otras fuentes de voltaje. Típicamente, la impedancia normal de la piel, vista por el electrodo, varía desde 0.5 kΩ para piel sudorosa hasta 20 kΩ para piel seca. Problemas de la piel, especialmente resequedad, piel escamosa, o enfermedades en la piel producen un incremento en la impedancia en el rango de 500 kΩ. En cualquier caso, se deberán tratar los electrodos de superficie como una fuente de voltaje con muy alta impedancia, situación que influye en forma decisiva en el diseño del circuito de entrada del amplificador bioeléctrico. En muchos de los casos, la regla práctica para un amplificador de voltaje, es hacer la impedancia del amplificador al menos 10 veces mayor a la impedancia de la fuente. Para amplificadores de biopotenciales esto requiere una impedancia de entrada de por lo menos 5 MΩ, valor que puede ser fácilmente alcanzado usando amplificadores operacionales con entrada bipolar en categorías Premium, con entradas FET (BiFET) o con entradas MOS (BiMOS). Electrodos de Superficie Comunes. Para la adquisición de señales biomédicas de superficie se han diseñado una amplia variedad de electrodos. Quizás el electrodo más antiguo, utilizado clínicamente para la medición de ECG es la variedad de correa (strap on) mostrado en la Figura 6-15a.

Figura 6-15 Electrodos típicos de ECG. a) Electrodos de correa (strap-on). b) Electrodo de copa de succión. 22 de 33

TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 Estos electrodos presentan áreas entre 1 y 2 pulgadas cuadradas. Mediante correas de hule mantienen en su lugar las placas de latón. Se utiliza una pasta o gel conductiva para reducir la impedancia entre el electrodo y la piel. Otro tipo de electrodo de superficie es el electrodo ECG de copa de succión que se muestra en al Figura 6-15b, el cual se utiliza como electrodo de pecho en registros rápidos de ECG. Para registros más prolongados de ECG o para monitoreo, tal como el monitoreo continuo de un paciente hospitalizado en una unidad de cuidados intensivos, algunas veces se utiliza el electrodo de columna relleno de pasta conductiva. La Figura 6-16a muestra un esquema de un típico electrodo de columna y su fotografía en la figura 6-16b. Este electrodo consiste de un botón metálico de contacto hecho de plata-cloruro de plata en la parte alta de la columna, el cual se rellena con gel o pasta conductiva. Este electrodo se mantiene en su posición mediante un disco de hule espuma cuya superficie tiene una sustancia adhesiva. El uso del relleno de gel o pasta conductiva en la columna, lo cual mantiene al electrodo sin contacto directo con la superficie de la piel, reduce los artefactos de movimiento. Por esta razón (y algunas otras, como que son desechables y de bajo costo) los electrodos mostrados en la Figura 6-16 son preferidos en el monitoreo de pacientes hospitalizados. Una forma conveniente de electrodos de columna, utilizado algunas veces en situaciones de monitoreo es el cojinete (pad) de tres electrodos, Estos cojinetes con adhesivo, en paquete sencillo, tienen una área de entre 20 y 30 pulgadas cuadradas y contienen tres electrodos ECG (dos electrodos para señal diferencial y un electrodo de referencia). Proveen un medio conveniente y rápido de sujeción de electrodos en monitoreo ECG de emergencia; en uso diagnóstico se continúa prefiriendo los electrodos individuales de columna. El cojinete con 3 electrodos es para uso temporal y se desecha ya que ha sido usado.

Figura 6-16 Electrodos de Columna. a) Vista seccional b) Electrodo de columna hecho de hule.

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Problemas con Electrodos de Superficie. Los electrodos de superficie (de todos los tipos) producen diversos tipos de problemas. Uno de los problemas (en el caso de los electrodos de columna) es que, en superficies de piel húmeda o sudorosa, el adhesivo no permanece mucho tiempo, produciendo el movimiento o desprendimiento del electrodo. Se deberá evitar la colocación del electrodo en protuberancias óseas, por lo que generalmente se seleccionan partes del pecho y abdomen. Los hospitales tienen diferente protocolos para el cambio de electrodos, pero en general, el electrodo se cambia al menos cada 24 horas (generalmente es un tiempo menor porque pocos electrodos mantienen su sujeción durante tanto tiempo). En ciertos hospitales los electrodos son remplazados cada 8 horas (cada cambio de turno del personal de enfermería) y su colocación desplazada ligeramente para prevenir irritación en la piel. Casi todas los tipos de electrodos pueden ser usados en registros de señal de corta duración, sin embargo, el monitoreo en períodos largos es particularmente difícil. Uno de los problemas más significativos es el de artefactos de movimiento que produce componentes falsos en la señal, lo cual se genera por movimientos del paciente y consiste: (1) de una componente eléctrica pequeña que proviene de señales bioeléctricas en los músculos del paciente y (2) de una componente eléctrica grande debida a cambios en la interfase entre electrodo y piel. El artefacto por movimiento se vuelve peor en cuanto se terminan el gel o pasta conductiva. En registros de corta duración los artefactos de movimientos casi no se presentan debido a que la mayoría de los pacientes pueden estar quietos el tiempo suficiente para que se lleve a cabo el registro. En el caso de registros de larga duración, hechos en unidades de cuidados intensivos y coronarios, para monitoreo continuo de las señales de ECG, este problema puede llegar a ser crítico. La causa más común de producción de artefactos en la señal es el deslizamiento del electrodo, esto causa un cambio abrupto del grosor de pasta o gel, lo que se refleja como un cambio tanto de la impedancia del electrodo como del corrimiento (offset) de voltaje en el electrodo. El efecto final es un artefacto que distorsionará y ocultará la señal ECG real. En la mayoría de los casos el médico reconocerá el artefacto, pues tienen la experiencia para diferenciar estos cambios de señal de los producidos por anomalías fisiológicas. En el peor caso, un artefacto pudiera producir una mala interpretación del contenido de información de la forma de onda ECG.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 Se han intentado muchas formas de resolver los problemas de artefactos de movimiento, asegurando los electrodos en forma más firme a la piel del paciente. Algunas veces se utiliza cinta adhesiva para mantener al electrodo en su lugar y aún cuando pudiera resolver durante un cierto tiempo, invariablemente los electrodos se aflojan en 1 o 2 horas volviéndose a presentar el problema. Otra solución que se ha intentado es el uso de un electrodo de superficie con pequeños picos que permitan una mejor adherencia a la superficie de la piel. Aunque presentan la desventaja de no ser confortables para el paciente y que no resuelven el problema completamente. Los artefactos de movimiento son particularmente severos durante exámenes ECG de prueba de esfuerzo. El paciente tiene que caminar en una banda mientras se monitorea o registra la señal de ECG. El electrodo de columna funciona bastante bien evitando artefactos de movimiento, pero aún así, es necesario limpiar y raspar ligeramente el sitio de la piel donde estará colocado el electrodo. Electrodos de Aguja. Los electrodos de superficie presentados anteriormente se consideran como no invasivos, esto es, se adhieren a la piel sin penetrarla. La figura 6-17 muestra un electrodo de aguja.

Figura 6-17 Electrodo de aguja para ECG Este tipo de electrodo de ECG se inserta en el tejido que se encuentra inmediatamente debajo de la piel, perforando la piel en un ángulo oblicuo (casi horizontal con respecto a la superficie de la piel). El electrodo de aguja se utiliza exclusivamente en casos de problemas graves en la piel (quemaduras, infecciones, etc), especialmente en pacientes anestesiados. Los electrodos de aguja son generalmente desechables y en los casos de reutilización se deben esterilizar con gas oxido etileno. Electrodos Internos. Los electrodos internos son insertados dentro del cuerpo humano. No se deberán confundir con los electrodos de aguja, los cuales están diseñados para insertarse dentro de las capas superficiales internas de la piel. El electrodo interno es típicamente un catéter aislado delgado y largo, con un contacto metálico expuesto al final (Figura 6-18).

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Figura 6-18 Electrodos Internos.

Para su aplicación, el electrodo es conducido a través de una vena del paciente (usualmente del brazo derecho) hacia el lado derecho del corazón para registrar las formas de onda ECG intracardiovasculares. Solo con los electrodos internos es posible registrar señales de muy baja amplitud y alta frecuencia, como las presentes en el haz de His.

Electrodos EEG. El cerebro produce señales bioeléctricas que pueden ser captadas por electrodos de superficie adheridos a la piel en la cabeza. Estos electrodos se conectan a un amplificador EEG que envía su señal de salida a un osciloscopio o algún equipo de registro de señales. El electrodo de EEG puede ser de aguja, como el mostrado en la Figura 6-17, pero en la mayoría de los casos, es un disco cóncavo de 1 cm. de diámetro hecho de oro o plata. El electrodo de disco se mantiene en su lugar mediante una capa de pasta altamente conductiva, o en ciertas aplicaciones de monitoreo, mediante una media máscara colocada en la cabeza. 6-11 MICROELECTRODOS. El microelectrodo es un dispositivo ultra fino que se usa para la medición de biopotenciales a nivel celular (Figura 6-19).

Figura 6-19 Microelectrodo utilizado para medir potenciales celulares.

En la práctica, el microelectrodo penetra a la célula que esta inmersa en un fluido (solución fisiológica salina), la cual esta conectada al electrodo de referencia.

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TEMA 6 SENSORES Y ELECTRODOS rev 2 Existen muchos tipos de microelectrodos, la mayoría de ellos presentan una de 2 formas básicas: vidrio-metal o lleno de fluido. En ambos casos, una superficie de contacto expuesta de alrededor de 1 a 2 μm (1 µm = 1 x 10-6 m) esta en contacto con la célula. Como pudiera esperarse, esto hace que el microelectrodo sea un dispositivo de muy alta impedancia. La figura 6-20 muestra la construcción de un típico microelectrodo vidriometal. Un alambre muy fino de platino o tungsteno se desliza a través de un tubo de vidrio de 1.5 a 2 mm. La punta se forma aplicando fuego y estirando el tubo, finalmente se corta. Posteriormente el electrodo se conecta a una de las entradas del amplificador de señal. Existen dos subcategorías de este tipo de electrodo. En una, el alambre de tungsteno o platino llega hasta la punta, mientras en el otro tipo, una delgada capa de vidrio cubre el punto metálico. Esta capa de vidrio es tan delgada que se mide en unidades de Amstrongs (1 x 10-10 m) e incrementa dramáticamente la impedancia de este dispositivo. La Figura 6-21 muestra los microeléctrodos rellenos de fluido. En este tipo, la pipeta de vidrio esta llena con una solución 3M de cloruro de potasio (KCl), y el extremo contrario a la punta es sellada con un tapón de plata-cloruro de plata. El extremo de la punta no necesita ser sellado ya que la apertura de 1 μm es tan pequeña que retiene al fluido. El electrodo de referencia también se llena de 3M KCl, pero es mucho mayor que el microelectrodo. En un extremo tiene un tapón de platino, mientras que en el extremo opuesto se coloca un tapón de plata-cloruro de plata. Figura 6-20 Microelectrodo de vidrio-metal La figura 6-22 muestra un circuito equivalente simplificado de un microelectrodo (el cual asume despreciable la contribución del electrodo de

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CAPITULO 6 ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES referencia). Un análisis de este circuito revela el problema de adquisición de señal producida por los componentes RC. La resistencia R1 y el capacitor C1 son el resultado del efecto de la interfase electrodo/célula y son (sorpresivamente) dependientes de la frecuencia. Estos valores caen a un valor despreciable con una pendiente de 1/(2πF)2 y son considerablemente menores que Rs y C2.

Figura 6-21 Microelectrodo lleno de fluido.

Figura 6-22 Circuito equivalente del microelectrodo.

La resistencia Rs, en la Figura 6-22, es la resistencia de difusión del electrodo y esta en función del diámetro de la punta. El valor de Rs en microelectrodo metálico sin recubrimiento de vidrio puede aproximarse como:

Rs =

P 4πr

(6-9)

donde: Rs es la resistencia en ohms (Ω) P es la resistividad de la solución fuera del electrodo (por ejemplo, 70 Ω-cm para solución salina fisiológica) r es el radio de la punta (típicamente 0.5 μm para un electrodo de 1 µm). Asumiendo los valores anteriormente mencionados, calcular la resistencia de difusión para un microelectrodo de 1 μm.

Rs =

P = 4πr

70 Ω-cm ⎛ ⎛ 10-4 cm ⎞ ⎞ (4 π) ⎜ (0.5 μ m x ⎜ ⎟⎟ ⎝ 1 μm ⎠ ⎠ ⎝

= 111.4 kΩ

La impedancia del microelectrodo metálico con cubierta de vidrio es al menos uno o dos órdenes de magnitud mayor que esta cifra.

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CAPITULO 6 ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES ¿Cómo estos valores afectan el comportamiento del microelectrodo? La resistencia Rs y el capacitor C2 operan juntas como un filtro pasa bajo RC. Por ejemplo, un microelectrodo de cloruro de potasio inmerso en 3 cm de solución fisiológica salina tiene una capacitancia de aproximadamente 23 pF. Suponga que esta conectada a la entrada de un amplificador (15 pF) a través de 3 pies de cable coaxial de diámetro pequeño (27 pF/ft, o 81 pF), la capacitancia total es (23 + 15 + 81)pF = 119 pF. Teniendo una resistencia de 13.5 MΩ, la respuesta a la frecuencia ( el punto de -3dB) es:

F=

1 2πRC

(6-14)

Donde: F es la frecuencia de -3dB en hertz (Hz) R es la resistencia en ohms (Ω) C es la capacitancia en Faradios (F) ________________________________________________ Ejemplo Para C = 119 pF (1.19 × 10-10 faradios) y R = 1.35 × 107 Ω, encuentre la respuesta a la frecuencia superior (punto de -3dB). Solución.

F=

1 = 99 Hz ≈ 100 Hz (2) (3.14) (1.35×107 Ω) (1.19 ×10-10 f)

Claramente una respuesta a la frecuencia de 100 Hz, con una atenuación de -6dB/octava arriba de 100 Hz, resulta en severos redondeos (suaviza) de los potenciales de acción de rápido crecimiento. El diseñador deberá encontrar una estrategia para contrarrestar los efectos de la capacitancia en estos electrodos de alta impedancia.

6-12 CUESTIONARIO. 1.- ¿Qué es un transductor? Un transductor es un dispositivo que convierte alguna forma de energía, producida por un estímulo físico, en una señal eléctrica analógica proporcional al valor o magnitud del estímulo. 2.- ¿Qué es una propiedad de transducción? Una propiedad de transducción es una característica del evento físico que es, en forma singular (esa característica se presenta en ese evento físico y no en otros eventos cercanos), capaz de representar ese evento y que puede ser transformada,

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CAPITULO 6 ELECTRODOS, SENSORES Y TRANSDUCTORES mediante algún dispositivo o proceso (principio de transducción), en una señal eléctrica. 3.- ¿Qué es un principio de transducción? El principio de transducción es el proceso de convertir la propiedad de transducción en una señal eléctrica que pueda ser enviada a la entrada de un instrumento de medición. 4.- ¿Qué diferencia hay entre un sensor activo y uno pasivo? Un sensor activo requiere la alimentación de una fuente de poder de CA o CD. Un sensor pasivo, a diferencia de uno activo, produce su propia energía o utiliza la energía del fenómeno que esta siendo medido. 5.- ¿Cuáles son las 5 categorías básicas de error? Los sensores, como muchos otros dispositivos muestran cierto error. Siendo consistente, el error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Como esta fuera del alcance de este tema presentar el rango completo de posibles errores, se dividirán en cinco categorías básicas de error: de inserción, de aplicación, característicos, dinámicos y de medio ambiente. 6.- ¿Cuándo se presentan los errores de Inserción? Este tipo de error ocurre cuando se inserta el sensor dentro del sistema que esta bajo medición. 7.- ¿Cuál es la primera regla de la instrumentación y quien la formuló? En el siglo XIX Lord Kelvin formuló la primera regla de la instrumentación: El instrumento de medición no deberá alterar el evento que esta siendo medido. 8.- ¿Quién produce los errores de aplicación? Estos errores son causados por el operador o quién realiza la medición, 9.- Cuales son los errores característicos? Estos errores son, en si mismos, inherentes al dispositivo, por ejemplo debidos a la diferencia entre las características ideales (función de transferencia) publicadas por el fabricante y las características reales del dispositivo. Esta forma de error pudiera ser agregar un valor de corrimiento de CD (DC offset), una pendiente (ganancia) incorrecta o una pendiente no perfectamente lineal. 10.- ¿Cuándo se producen los errores dinámicos? Producidos por la incapacidad del transductor de seguir cambios rápidos en su entrada. 11.- Defina posibles causas de errores del medio ambiente. Estos errores están producidos por el ambiente en el cual se usa el sensor. Estos errores pueden ser producidos por la temperatura ambiente, vibración, golpes, altitud, exposición a sustancias químicas, etc. 30 de 33

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12.- Defina Sensitividad. La sensitividad del sensor se define como la pendiente de la curva característica de salida a entrada. 13.- ¿Qué es el error de sensitividad? El error de sensitividad es la desviación en relación a la pendiente de la característica ideal de salida a entrada. 14.- ¿A que se refiere el concepto de Precisión? El concepto de precisión se refiere al grado de reproducibilidad de una medición. 15.- ¿A que se refiere el término resolución? Esta especificación es el cambio incremental más pequeño del parámetro de entrada que puede ser detectado en la señal de salida. 16.- ¿A que se refiere el concepto de Exactitud? La exactitud de un sensor es la diferencia máxima que existe entre el valor real o verdadero (medido por un patrón estándar primario o uno secundario de buena calidad) y el indicado a la salida del sensor. 17.- ¿A que se refiere el concepto de Corrimiento (Offset)? El error de corrimiento (offset) de un sensor o transductor se define como la magnitud de la señal de salida que existe cuando debiera ser cero. 18.- ¿A que se refiere el concepto de Linealidad? La linealidad de un transductor es una expresión del grado con que la característica real de un sensor difiere de la ideal. 19.- ¿A que se refiere el término Histéresis? Un transductor deberá ser capaz de seguir los cambios del parámetro de entrada independientemente de la dirección del cambio; la histéresis es la medición de esta propiedad. 20.- ¿A que se refiere el término de Tiempo de respuesta? El tiempo de respuesta esta definido como el tiempo requerido para que la salida de un sensor cambie desde un valor inicial a un valor final establecido dentro de una banda de tolerancia. 21.- ¿Qué desventaja tiene operar con un ancho de banda muy amplio? El ruido, por ejemplo, es proporcional al ancho de banda, así a mayor ancho de banda se tendrá mayor interferencia de ruido.

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22.- ¿Cuáles son los 2 criterios a considerar en la selección del ancho de banda de un amplificador? La selección del ancho de banda del amplificador y la característica de distorsión de fase es una negociación entre la necesidad de tener un registro o medición de alta fidelidad del evento de entrada y otros problemas (como ruido) que pudieran estar presentes en el sistema. 23.- ¿Qué tipo de sensores son los bioelectrodos? Los bioelectrodos son una clase de sensores que convierten la conducción iónica a conducción electrónica, de tal forma que la señal pueda ser procesada en circuitos electrónicos. 24.- ¿Cuales son las 3 formas en que se adquieren la mayoría de las señales bioeléctricas? La mayoría de las señales bioeléctricas son adquiridas de una de los siguientes tres formas de electrodos: macroelectrodos de superficie, macroelectrodos internos (indwelling) y los microeléctrodos. 25.- ¿Cuál es el punto de referencia cero en mediciones de potenciales de media celda y que potencial se le asigna? El punto de referencia cero cuando hacemos la medición de un potencial de media celda es el electrodo hidrogeno-hidrogeno (H-H), al cual se le asigna, por convención, un potencial de cero. 26.- Para registro superficial de biopotenciales de uso médico, ¿Cuál es el tipo de electrodo más utilizado? En general, para uso médico y para el registro superficial de biopotenciales, el electrodo más utilizado es el de plata-cloruro de plata. 27.- ¿Cuáles son las 3 formas en que se resuelven los e problemas de registro debido a potenciales de electrodos?. 1.- Para la adquisición de señal podemos usar un amplificador diferencial de CD. 2.- El circuito de adquisición de señal deberá ser diseñado para proveer una cancelación del corrimiento de voltaje. 3.- Podemos utilizar un acoplamiento de CA a la entrada del amplificador. 28.- ¿Qué rango de impedancia normal presenta la piel vista por un electrodo bioeléctrico? Típicamente, la impedancia normal de la piel, vista por el electrodo, varía desde 0.5 kΩ para piel sudorosa hasta 20 kΩ para piel seca. 32 de 33

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29.- ¿Qué regla práctica podemos aplicar para seleccionar la impedancia de entrada de un amplificador en relación a la impedancia de la fuente? En muchos de los casos, la regla práctica para un amplificador de voltaje, es hacer la impedancia del amplificador al menos 10 veces mayor a la impedancia de la fuente. 30.- ¿En qué consisten los artefactos de movimiento que producen distorsión el registro de señales bioeléctricas? Uno de los problemas más significativos es el de artefactos de movimiento que produce componentes falsos en la señal, lo cual se genera por movimientos del paciente y consiste: (1) de una componente eléctrica pequeña que proviene de señales bioeléctricas en los músculos del paciente y (2) de una componente eléctrica grande debida a cambios en la interfase entre electrodo y piel. 31.- ¿En que forma se aplican los Electrodos de Aguja y en que casos se utiliza este tipo de electrodo? Este tipo de electrodo de ECG se inserta en el tejido que se encuentra inmediatamente debajo de la piel, perforando la piel en un ángulo oblicuo (casi horizontal con respecto a la superficie de la piel). El electrodo de aguja se utiliza exclusivamente en casos de problemas graves en la piel (quemaduras, infecciones, etc), especialmente en pacientes anestesiados. 32.- ¿Cómo son y cómo se aplican los electrodos internos? El electrodo interno es típicamente un catéter aislado delgado y largo, con un contacto metálico expuesto al final. Para su aplicación, el electrodo es conducido a través de una vena del paciente (usualmente del brazo derecho) hacia el lado derecho del corazón para registrar las formas de onda ECG intracardiovasculares. 33.- ¿Qué es un microelectrodo y para que se utiliza? El microelectrodo es un dispositivo ultra fino que se usa para la medición de biopotenciales a nivel celular.

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