Como ya se ha visto, la actividad fisiológica de las células en las diferentes estructuras biológicas provoca potenciales bioeléctricos tanto intracelulares como extracelulares.
El objetivo de esta unidad es ampliar el estudio de la adquisición, amplificación y acondicionamiento de potenciales bioeléctricos mediante electrodos.
Vamos a centrarnos en el estudio de los amplificadores de potenciales bioeléctricos o bioamplificadores, adaptando sus cualidades en función a la señal que se desea medir
Introducción
El principal problema de la captación de las señales bioeléctricas proviene de los valores de amplitud y frecuencia de las mismas. Dichas amplitudes son pequeñas y a menudo se encuentran contaminadas de ruido que incluso puede ser superior al valor de la propia señal
Problema en la captación de señales
Los potenciales bioeléctricos del cuerpo humano o de cualquier animal raramente son determinísticos. Sus magnitudes varían con el tiempo, incluso cuando todos los factores que las originan están controlados. Los valores de la misma medida pueden variar enormemente entre diferentes individuos aunque estos estén sanos y las condiciones de medición sean las mismas. Esto quiere decir que los valores pueden ser muy diferentes para diferentes personas aunque sean valores normales en ellos.
Características de las señales bioeléctricas
Señales Bioeléctricas
Los valores indicados en la tabla anterior fijan la ganancia y el ancho de banda que debe tener el equipo de medida. Tomando como ejemplo la señal del ECG, y para evitar deformaciones mayores del 10%, la American Heart Association recomienda que el ancho de banda de los equipos destinados a captar el ECG sea al menos de 0'1 a 100 Hz. No obstante, en función de la patología a detectar puede ser necesario trabajar con mayores anchos de banda.
Comentario
A la vista de los valores de la tabla, podría pensarse que el problema de la adquisición de los biopotenciales se reduce a diseñar y construir un amplificador con ganancia elevada y ancho de banda suficiente. Sin embargo, el principal problema en el registro de estas señales se encuentra en reducir al mínimo las interferencias o ruido que se encuentran mezcladas con ella y que en muchos casos tienen mayor amplitud que la propia señal, y con un espectro de frecuencia superpuesto
Fuentes de ruido e interferencia en un bioamplificador
Fuentes de ruido
Interferencias externas al equipo de medida:
Capacitivas:
Acoplamiento capacitivo con el paciente.
Acoplamiento capacitivo con los conductores y el equipo.
Inductivas.
Originadas por la interfaz electrodo-electrolito-piel.
Debidas a otros potenciales bioeléctricos.
Debidas a otros sistemas fisiológicos.
Debidas a cargas electrostáticas.
Interferencias internas al equipo de medida:
Provocadas por el transformador de la fuente de alimentación.
Debidas al rizado de la fuente de alimentación.
Ruido generado por los componentes electrónicos.
Causas de ruido
La principal fuente de interferencia externa es, sin duda, la red de distribución de energía eléctrica, que provoca una señal de interferencia de 60 Hz, ya que las interferencias introducidas por otros equipos tienen generalmente frecuencias superiores al ancho de banda de la señal bioeléctrica. Ésta es la responsable de todas las alteraciones debidas por acoplo inductivo y capacitivo.
Mayor problema
Se puede considerar el cuerpo humano como un conductor volumétrico. Este conductor está separado por el aire de los conductores de la red eléctrica que se encuentran en el ambiente donde se realizan las medidas. Se forman de esta manera dos condensadores cuyas armaduras son el sujeto y los conductores vivos y de tierra respectivamente, asumiendo el aire el papel de dieléctrico.
Interferencia capacitiva
Acoplo capacitivo de la red con el cuerpo del paciente
2.49V aprox.
Este tipo de interferencias son causadas normalmente por la red eléctrica. Por ella circulan corrientes variables de 60 Hz que provocan la aparición de campos magnéticos variables con el tiempo. Estos campos magnéticos atraviesan los bucles formados en el sistema de medida, induciendo ellos tensiones de 60 Hz de acuerdo con la ley de Lenz
Interferencias inductivas
Estas tensiones son proporcionales al área del bucle en cuestión y a la frecuencia del campo magnético que interfiera. Las más importantes se inducen en el bucle formado por el paciente, los conductores y el propio equipo. La mejor solución para reducir la interferencia magnética, es hacer el área del bucle de medida tan pequeña como sea posible, lo cual puede conseguirse trenzando los cables de medida desde el equipo de registro hasta las proximidades del paciente o utilizando cable coaxial adecuado con una conexión apropiada
Interferencias inductivas
Interferencias inductivas
Las interferencias de 60Hz son las que más afectan al diseño del sistema de amplificación, por lo que en el caso de que las medidas anteriores no sean suficientes puede adoptarse otro tipo de soluciones complementarias como incluir un filtro notch a 60Hz en la cadena de amplificación con el inconveniente de que se pierde la información a dicha frecuencia.
Solución
Una fuente de interferencias, difícilmente evitable, la constituye la actividad de otros potenciales bioeléctricos presentes en el organismo. Pueden citarse, por ejemplo, las interferencias del ECG materno en el registro del ECG fetal, o las del EMG (electromiograma) sobre el ECG y especialmente sobre la señal del ECG registrada en una prueba de esfuerzo. Considerando ahora el EOG pueden detectarse interferencias provocadas por el EEG (electroencefalograma) o por acciones musculares como masticar, abrir o cerrar los ojos..etc
Interferencias provocadas por otros potenciales bioeléctricos
Reciben este nombre las interferencias provocadas por la circulación, a través de los electrodos a tierra, de las cargas electrostáticas almacenadas en el cuerpo del paciente. Ello provoca, normalmente, fluctuaciones de la línea base y, en ocasiones la saturación de los amplificadores
Interferencias provocadas por cargas electrostáticas – Interferencias triboeléctricas
Se consideran interferencias internas, aquellas que son provocadas por fuentes incluidas en el bioamplificador. Entre ellas destacan las causadas por la fuente de alimentación y las debidas al ruido interno de los componentes electrónicos en general
Fuentes Internas
Si la fuente de alimentación del amplificador incorpora un transformador, el rizado de 120 Hz, correspondiente a la rectificación de los 60 Hz de la red, provocara interferencias que pueden ser importantes.
Cuando se utilizan amplificadores operacionales el problema se reduce a elegir un componente con una relación de rechazo frente a variaciones de la tensión de alimentación (PSRR, power supply rejecction ratio) lo suficientemente grande. Este dato lo suministra el fabricante.
Una solución aceptable para solucionar estos problemas es usar baterías para alimentar el amplificador, que además de reducir el ruido de alimentación, añaden seguridad al paciente. En cualquier caso, pueden utilizarse redes de filtrado en las alimentaciones que sirven para atenuar la interferencia del rizado de la fuente
Interferencias debidas a la fuente de alimentación
Los componentes electrónicos, bien sean activos o pasivos, generan señales de ruido, en general aleatorias, que contaminan las medidas. En los sistemas que requieren grandes amplificaciones, este problema puede ser crítico y exige una adecuada selección de los componentes de las primeras etapas
Ruido generado por los componentes electrónicos
El Bioamplificador
Como se ha comentado en apartados anteriores, la amplificación de cualquier biopotencial es un proceso delicado. En el que además de incluir una gran ganancia, es necesario tener en cuenta las interferencias que enmascaran la señal. La interferencia con una influencia mas directa y negativa sobre la amplificación es al acoplo capacitivo de la red eléctrica sobre el cuerpo del paciente. Aquí se analizan los efectos de este acoplo y se muestran los requisitos del amplificador para minimizar sus efectos.
El preamplificador
El amplificador necesario para captar y amplificar la señal bioeléctrica deberá reunir las siguientes características:
Utilizar amplificación diferencial para atenuar las señales de modo común.
Poseer un rechazo al modo común muy elevado.
Poseer impedancias de entrada muy elevadas para disminuir la interferencia diferencial debida a la red y evitar la distorsión del biopotencial.
Estas características definen un dispositivo utilizado en instrumentación siempre que es necesario trabajar con señales fuertemente enmascaras por ruidos: el amplificador de instrumentación.
Características
Amplificador de instrumentación
El sistema que mejor minimiza los riesgos en la medida de biopotenciales es el aislado. Un amplificador aislado está compuesto por dos subsistemas que están aislados galvánicamente entre si. El mecanismo de acoplamiento que transfiere la señal del subsistema de entrada al de salida puede ser magnético, capacitivo u óptico. La etapa de entrada tiene su alimentación y referencia aisladas de la alimentación y referencia de la etapa de salida. Esto se consigue a partir de una fuente de alimentación única con un convertidor continua-continua, o utilizando dos fuentes de alimentación, como es lógico en este caso serán baterías las que alimenten al primer subsistema.
El amplificador de aislamiento
Un sistema de aislamiento óptico está constituido por un emisor, por ejemplo un LED, y un receptor, por ejemplo un fotodiodo o un fototransistor. El conjunto de ambos permite aislar galvánicamente dos partes de un conjunto y debe, al mismo tiempo, transmitir la señal entre ambas con la menor distorsión posible.
Aislamiento por acoplamiento óptico
Aislamiento
En este tipo de aislamiento la señal que se introduce en el circuito emisor puede ser la señal original en banda base, o bien una señal modulada, generalmente en ancho de pulso, por la primera. En ambas situaciones se tienen ventajas e inconvenientes.
Tipos
Si la señal que se transmite está en banda base, se evita la necesidad de la modulación, resultando un sistema muy simple. El problema es la poca linealidad de los dispositivos ópticos, lo que hace necesario disponer de circuitos de emisión y recepción perfectamente acoplados y emparejados
Comentario
Una solución alternativa consiste en aplicar al circuito emisor una señal modulada, por ejemplo en ancho de pulso, por la señal original. En este caso, aunque los mecanismos de aislamiento son iguales, la linealidad del sistema no radica en el circuito de aislamiento óptico, ya que la señal a transmitir tiene únicamente dos niveles de tensión, sino en el sistema de modulación. En general, para este tipo de aislamiento está más extendido el uso de sistemas de modulación que la transmisión de la señal en banda base
Solución
Para conseguir un aislamiento completo entre el paciente y la tierra no basta con emplear el amplificador de aislamiento. Es necesario añadir un sistema de alimentación aislado para la parte de la barrera de aislamiento en la que se encuentra el paciente. Por tanto se necesitan dos fuentes de alimentación aisladas, sin conexión eléctrica, una para cada lado de la barrera de aislamiento.
El sistema de alimentación
La alimentación de la zona de filtrado no presenta ningún problema, ya que se puede alimentar con una fuente de alimentación conectada a tierra. Sin embargo, la alimentación de la zona del paciente debe estar aislada, lo cual se puede conseguir de dos formas distintas, cada una con sus ventajas e inconvenientes:
Conversor DC-DC con aislamiento
Fuente de alimentación a partir de batería
Alimentación
Fuente con baterias
Amplificadores de instrumentación (e.g. AD620, INA121)
Zin > 10M
CMRR > 90dB
Offset (the lower the better) Voff < 1mV.
Otros amplificadores (further amplification and filtering): Ua741 and TL071 ok with Offset compensation (pins 1and 5)
Recomendaciones generales
Ejemplo