BASES de la

ELECTROMEDICINA

Unidad 2.

Señales biológicas y Potenciales bioeléctricos.

Origen y captación.

Contenido

• Señales biomédicas

• Actividad eléctrica de las células vivas. Bomba de Sodio – Potasio.

• Electrodos. Principios de funcionamiento.

• Seguridad electromédica y aislamiento.

Objetivos

• Explicar el origen de la actividad eléctrica en los seres vivos.

• Describir los principios fundamentales de trabajo de los electrodos utilizados en Electromedicina.

• Conocer los riesgos relacionados con el uso de equipos electromédicos.

• Emplear apropiadamente las normas de seguridad relativas al uso de equipos electromédicos.

Características generales de las señales bioeléctricas.

• 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.

• A continuación se comentan algunos de los valores típicos para diferentes señales bioeléctricas:

PROBLEMÁTICA DE LA CAPTACIÓN DE LAS SEÑALES BIOELÉCTRICAS.

• 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.

Fuentes de ruido e interferencia en un bioamplificador

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.

Acoplo capacitivo de la red con el cuerpo del paciente

Acoplamiento capacitivo con los conductores

Interferencias inductivas

Bucle de interferencia magnética:

a) Disposición correcta de cables.

b) Disposición incorrecta.

Potencial de contacto electrodo-piel• Al colocar un electrodo en contacto con la piel a través de un electrolito se produce una

distribución de cargas entre la interfaz electrodo-electrolito que da lugar a la aparición de un potencial conocido como potencial de media celda.

• Si el electrodo se mueve respecto del electrolito, se producirá una alteración en la distribución de la carga que provocará una variación transitoria del potencial de media celda.

• De la misma forma, en la interfaz electrolito-piel también existirá una distribución de cargas y, por tanto, un potencial de equilibrio que variará si se produce movimiento entre la piel y el electrolito. Este tipo de interferencias (en inglés “motion artifact”) producen una fluctuación de la señal a frecuencias muy bajas (<1 Hz), no susceptibles de ser filtradas debido a la gran cantidad de información que poseen a estas frecuencias la señal del ECG y del EOG, y en general la mayoría de los biopotenciales.

• Este problema se puede solventar fijando el electrodo a la piel, de forma que se evite cualquier movimiento. Y utilizando electrodos de materiales que presenten polarizaciones menores como los electrodos de plata-cloruro de plata.

• La unión electrodo-electrolito-piel puede modelarse eléctricamente como una tensión continua en serie con una impedancia tal como se muestra en la siguiente figura:

• En una amplificación diferencial si los potenciales de contacto fueran iguales no existiría ningún problema. En la práctica es imposible conseguir esta igualdad, por lo que la señal bioeléctrica estará superpuesta a una tensión continua, siendo ambas amplificadas. Ello limita la ganancia de la primera etapa amplificadora, ya que esta tensión continua podría saturar el amplificador.

Interferencias provocadas por otros potenciales bioeléctricos

• 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.

• No existe una forma clara de evitar dichas interferencias. Así, por ejemplo, en el registro de las señales del ECG es importante que el paciente esté relajado y en reposo, procurando que su actividad muscular sea la mínima posible.

• Otra solución es la colocación adecuada de los electrodos para que una señal quede realzada respecto de la otra. Ello es posible por la influencia que tienen los factores geométricos en la amplitud y forma de las señales bioeléctricas.

Interferencias provocadas por otros sistemas fisiológicos

• La interacción entre los diferentes sistemas fisiológicos de los seres vivos se traduce en la aparición de interferencias sobre la señal que se desea medir.

• Una de las interacciones más estudiadas es la variación de las señales del sistema cardiovascular por la acción del sistema respiratorio. Este provoca cambios de amplitud y de forma en los registros del ECG, así como una variación del ritmo cardíaco.

Interferencias provocadas por cargas electrostáticas.

• 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.

• La generación de la carga electrostática puede tener diversos orígenes y es almacenada en la capacidad creada entre la superficie corporal y tierra. Esto provoca la aparición de una diferencia de potencial entre el cuerpo y tierra que dependerá de la carga generada.

• Las cargas triboeléctricas también provocan interferencias de modo común e interferencias de modo diferencial cuya magnitud depende, sobre todo, de las impedancias de las interfaces electrodo-piel.

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.

Interferencias debidas a la fuente de alimentación

• Si la fuente de alimentación del amplificador incorpora un transformador, el rizado de 100 Hz, correspondiente a la rectificación de los 50 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.

• También influye el valor del rechazo al rizado del regulador de la fuente de alimentación.

• 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.

Ruido generado por los componentes electrónicos

• 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.

Electrodos

• Para medir potenciales biológicos debe tenerse en cuenta que los tejidos vivos son conductores iónicos.

• El dispositivo empleado para recoger tales potenciales recibe el nombre de Electrodo.

• En Electrofisiología, el problema es mas crítico, ya que al colocar el electrodo sobre una porción de tejido se crea una interfase entre ambas, que es el lugar donde se produce la conversión iónica a electrónica.

Interfase Electrodo – Electrolito: La corriente viaja del electrodo a la izquierda hacia el electrolito a la derecha. El electrodo consiste de átomos de un metal C. El electrolito es una solución acuosa que contiene cationes (iones positivos) del electrodo metálico C+ y aniones (iones negativos) de la solución acuosa A-.

Tipos de Reacciones• De Oxidación: Pasan iones metálicos del

electrodo hacia la solución.

El electrodo queda negativo.

• De Reducción: Pasan iones metálicos

desde la solución hacia el electrodo, y este queda positivo.

Doble capa iónica

Los iones se agrupan formando una capa tenue que cubre la superficie del electrodo.Este fenómeno origina un efecto de condensador cargado que se explica dado que las capas son de signo opuesto y están separadas por una distancia.Esto ocasiona la presencia de un potencial que se denomina “potencial de offset del electrodo” ó “potencia de media celda”.

Distribución de cargas

a) En un electrodo real. Eléctricamente equivale a una

serie R –C en paralelo con una resistencia.

b) En un electrodo no polarizado. Eléctricamente equivale a una resistencia.

Distribución de cargas(para electrodos de superficie)

Características de los electrodos• Las mas importantes, ya que producen el potencial de

“offset”:1. Ruido2. Deriva de la línea base3. Tiempo de Recuperación

• Otras características que deben tenerse en cuenta: a) El material del electrodo debe ser químicamente inerte para evitar

la irritación de los tejidos donde se aplica.b) Las características mecánicas demandan fortaleza, facilidad de

limpiar y / o esterilizar y de aplicación simple al paciente.c) El material empleado en su construcción debe ser buen conductor

de la electricidad, a fin de que los potenciales recogidos sobre el tejido lleguen al instrumento biomédico con la menor atenuación y deformación posibles.

Ruido ó fluctuaciones rápidas

(A) Electrodos sin estabilizar

(B) Estabilizados (mediante un proceso de inmersión en una solución salina llamado “cloruración” )

Deriva de línea base ó fluctuaciones lentas

Tiempo de Recuperación

• Dada su capacidad para almacenar energía - a partir de la formación de la doble capa iónica y su efecto inherente de condensador ó capacitor cargado-, cuando se somete la interfase electrodo – piel a una corriente continua de alta densidad en amperes por cm2, (como por ejemplo, al aplicar un desfibrilador), los electrodos almacenaran energía, y demoraran un cierto tiempo luego en estabilizarse.

• Esta característica se denomina “de almacenamiento de carga”, y lo deseado es que su valor sea lo mas reducido posible.

Polarización química de un electrodo

• Electrodos perfectamente polarizables: No existe carga que atraviese la interfase electrodo – electrolito cuando se aplique una corriente.

• Electrodos perfectamente no polarizables: Aquellos por los cuales la corriente fluye a través de la interfase electrodo – electrolito sin requerir energía para su transición.

• En la práctica no es posible fabrica ninguno de estos dos tipos de electrodos, aunque algunos pueden acercarse a las características deseadas: por ejemplo, los electrodos de Platino.

• Debido a que los materiales que forman los electrodos son relativamente inertes, es difícil para ellos oxidarse ó disolverse.

Corte transversal de un electrodo de Plata / Cloruro de Plata ( Ag/AgCl)

El electrodo de Plata / Cloruro de plata se acerca a las características de un electrodo perfectamente no polarizable.

Su conducta está dada por dos reacciones químicas: 1) oxidación de los

átomos de plata en la superficie del electrodo para formar Ag+ y

2) combinación de los iones de Cl- con los de Ag+ para formar el compuesto AgCl

Electrodo de Ag/AgCl formado por un alambre de plata rodeado por cloruro de plata en forma de un cilindro.Este tipo de empaquetamiento tiene mayor duración.

Este circuito es el circuito equivalente para un electrodo de biopotenciales en contacto con un electrolito.Ehc es el potencial de media celda, Rd y Cd establecen la impedancia asociada con dicha interfase electrodo – electrolito y los efectos de la polarización, y Rs es la resistencia en serie asociada con los efectos de la interfase y debida a la resistencia en el electrolito.

Modelo Circuital

Esta gráfica muestra la Impedancia como función de la frecuencia para electrodos de Ag aislados con una capa depositada electrolítica mente de AgCl.

Magnitud de la Impedancia, determinada experimentalmente, como una función de la frecuencia para los electrodos.

Interfase Electrodo - Piel

Sección ampliada de la piel, mostrando sus diversas capas.

Un electrodo de superficie se coloca en contacto con la piel. El diagrama muestra el circuito eléctrico equivalente obtenido en esta situación.Cada elemento del circuito equivalente a la derecha está situado aproximadamente al mismo nivel en que ocurre el proceso físico que representa en el diagrama de la izquierda.

Glándulas sudoríparasy sus conductos

Electrodo

Epidermis

Dermis yCapas subcutáneas Ru

Re

Ese

Ehe

Rs

RdCd

EP

RPCPCe

Gel

Tipos de Electrodos

A. Electrodos de Superficie1. Capacitivos

2. De Contacto directo

B. Electrodos Intratisulares

C. Electrodos Intracelulares

Electrodos capacitivos

• Consisten en una placa metálica recubierta por una capa delgada de material aislante de elevada constante dieléctrica como el óxido de aluminio, el óxido de tantalio ó el dióxido de silicona.

• La piel debajo del electrodo constituye la otra placa del condensador.

• Se utilizan cuando se desea independizarse de los fenómenos de polarización, fluctuaciones, almacenamiento de carga ó el uso de gel ó pasta de acople.

Electrodos de Contacto directo• Los materiales mas usados en su confección son plata

alemana (aleación de Ni – Cu y Zn) y aleación de Ni - Ag• Son los mas comúnmente utilizados en ECG, VCG,

EEG, EOG y ERG. • Son menos utilizados en EMG.• Existen las siguientes variedades:

– Planos– De succión– Multipuntuales– Suspendidos– Miniatura ó de pequeña masa– Radiotransparentes– De interfase anhidra– intracavitarios

Electrodos de Superficie(a) Electrodo de placa de metal utilizado para su aplicación a las extremidades.

(b) Electrodo de disco de metal aplicado con cinta quirúrgica.

(c) Electrodos desechables en forma de disco, utilizados con equipos de monitorización electrocardiográfica.

Electrodo metálico de succión utilizado en las derivaciones precordiales de los electrocardiógrafos.

(a) Electrodo con estructura de sombrero de copa. (b) Vista en sección del electrodo en (a). (c) Vista en sección de un electrodo desechable Este electrodo forma un disco abierto, saturado con gel electrolítico y colocado sobre el electrodo de metal.

Anillo de cinta adhesiva

Empaquetado para aislamiento

Disco de metal

Gel electrolito en reposo

(a) (b)

(c)

Ag-AgCl Agarre externo

Copa plástica

Placa

Disco plástico

Soporte aislante Lazos capilares

Material celular muerto

Capa en germinación

Esponja protegida por GelElectrodos superficiales flotantes de metal

a) Electrodo de carbono rellenado con goma de silicona.

b) Electrodo neonatal de película fina.

c) Vista en sección del electrodo de película fina en b).

Electrodos flexibles

Electrodos de Aguja y de Alambre

Se utilizan para mediciones percutáneas de biopotenciales.

a) Electrodo de aguja aislada.b) Electrodo Coaxial de aguja.c) Electrodo Bipolar coaxial.d) Electrodo de alambre fino

conectado a una aguja hipodérmica antes de ser insertado.

e) Vista en corte seccional de la piel y el músculo que muestra la colocación del electrodo de alambre fino.

f) Vista en corte seccional de la piel y el músculo que muestra la colocación del electrodo aislado de alambre fino.

Electrodos para detectar electrocardiograma fetal, mediante agujas intracutáneas (a) Electrodo de Succión. (b) Vista en sección de un electrodo de succión en su ubicación, que muestra la penetración del dispositivo a través de la epidermis. (c) Electrodo en forma de hélice que es acoplado a la piel del feto mediante una acción de atornillado.

Electrodos implantables para detectar biopotenciales (a) Electrodo de lazo de alambre. (b) Electrodo de esfera de plata para potenciales corticales.(c) Electrodo multielemento profundo.

Ejemplos de arreglos de electrodos: (a) Arreglo de electrodos unidimensional

(b) Arreglo bidimensional, y (c) Arreglo tridimensional

(c)

Tines

Base

Exposed tip

ContactsInsulated leads

(b)

Base

Ag/AgCl electrodes

Ag/AgCl electrodes

BaseInsulated leads

(a)

Contacts

Estructura de un microelectrodo de metal para toma de muestras intracelular.

Estructura de microelectrodos de metal

(a) Micropipeta de metal rellenada con vidrio.

(b) Micropipeta de vidrio aislada con una película metálica.

Electrodo micropipeta de vidrio rellenado con una solución electrolítica

(a) Sección que muestra capilar de vidrio. (b) Capilar estrechado mediante calentamiento y compresión. (c) Estructura final del microelectrodo pipeta de vidrio.

Diferentes tipos de microelectrodos fabricados usando tecnología microelectrónica (a) Electrodo múltiple en forma de abanico. (b) Multielectrodo de silicona (c) Electrodo Multiple-cámara (d) Electrodo para nervio periférico

Bonding pads

Si substrateExposed tips

Lead viaChannels

Electrode

Silicon probe

Silicon chip

Miniatureinsulatingchamber

Contactmetal film

Hole

SiO2 insulatedAu probes

Silicon probe

Exposedelectrodes

Insulatedlead vias

(b)

(d)

(a)

(c)

Circuito equivalente de microelectrod metálico (a) Electrodo situado en una célula que muestra el origen de microcapacitancia. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuito equivalente.

Metal rod

Tissue fluidMembranepotential

N

C

B

B

EmpMembraneandactionpotential

Cma

Rma

Cd + Cw

Ema - Emb

E

0

A

(a)

N = NucleusC = Cytoplasm

(b)

(c)

B

A

A

Referenceelectrode

RmbRma

EmbEma

EmpRi Re

CmbCma

Cdi

Cd2

Rs Cw

Insulation

CdCellmembrane

++ +

++

+++

++

++++++++++++

Circuito equivalente de un electrodo micropipeta de vidrio (a) Electrodo situado en una célula que muestra el origen de la microcapacitancia distribuida. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuito equivalente.

Ema

Rma

Rt

Ri Re(b) Emp

Emb

RmbCmb

Ej

Et

Cma

Cd

A B

Rt

Em

A

B

Membraneandactionpotential

(c)

Emp

Em = Ej + Et + Ema- Emb

Cd = Ct0

Cellmembrane

Tip++

+

++

+

+

+

+ + + + + +

++

+++++

Taper

Internal electrode

Glass

A BTo amplifier

Electrolyte inmicropipet

Stem

(a)

Referenceelectrode

Cell membrane

CytoplasmN = Nucleus

N

Environmentalfluid

Cd

Formas de onda de Corriente y Voltaje que se aprecian en los electrods utilizados para estimulación eléctrica.(a) Estimulación con corriente constante. (b) Estimulación con voltaje constante.

(a)

Polarizationpotential

Polarization

Polarization

i

i

t

t

t

t

Ohmicpotential

(b)

Polarizationpotential

Conclusiones

Bibliografía1. Barea Navarro.R. “Tema 1: Introducción y Conceptos Básicos de la

Instrumentación Biomédica”.

2. Bronzino,J.D. (Editor) “The Biomedical Engineering Handbook, 2nd Ed. IEEE Press, 2000

3. Brown,B.H.; Smallwood,R.H.; Barber,D.C.; Lawford,P.V.; y Hose,D.R. “Medical Physics and Biomedical Engineering”, Institute of Physics, 2001

4. Carson,E. y Cobelli,C. “Modelling Methodology for Physiology and Medicine”, Academic Press, 2001

5. Del Aguila, C. “Electromedicina” Ed. Hasa, 1994

6. Enderle, J.; Blanchard,S. y Bronzino, J.D. “Introduction to Biomedical Engineering”, Academic Press, 2000

7. Webster, J.G. (Editor) “BioInstrumentation”, 2003, en Internet: http://courses.engr.wisc.edu/ecow/get/bme/310/webster/bme310bioi/