mediciones en electrofisiología -...

Dr. Ing. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica

Universidad Nacional de San Juanlaciar@gateme.unsj.edu.ar

Mediciones en Electrofisiología

BIOINSTRUMENTACIÓN II

Indice

Introducción

Eventos Bioeléctricos

Señales Biomédicas

Electrodos

Índice

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Indice

3

Introducción

Muchos equipos actuales de diagnóstico y tratamiento se basan en la adquisición y análisis de los potenciales eléctricos generados por el cuerpo humano.

Indice

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Introducción

Electrocardiógrafo Electroencefalógrafo

Equipos de consultorio

Indice

5

Introducción

Electromiógrafo

Equipos de consultorio

Indice

6

Introducción

Holter

Equipos portátiles

Marcapasos

Indice

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• Los potenciales eléctricos de origen biológico se denominan“potenciales bioeléctricos” o simplemente “biopotenciales”.

• El registro de estos biopotenciales permite estudiar el comportamientoeléctrico de los diferentes órganos o sistemas del cuerpo humano.

BiopotencialesEventos Bioeléctricos

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Electrocardiografía(ECG)

Electroencefalografía(EEG)

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Electromiografía(EMG)

• El ánalisis visual o automático de los registros obtenidos da origen avarias técnicas de diagnóstico.

Eventos Bioeléctricos

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• Además de las técnicas anteriores de diagnóstico existen otrastécnicas basadas en biopotenciales menos conocidas pero de granpotencialidad clínica.

Electrooculografía(EOG)

Interfaz cerebro-computadora basada en EOG

Eventos Bioeléctricos

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•Otras técnicas combinan el uso de la adquisición de varias señales de origen bioeléctrico.

Polisomnografía(PSG)

Registro de varias señales biomédicas durante el SUEÑO

Imagen Comercial Laboratorio de sueño

• Este estudio está indicado para personas con trastornos de sueño.

Eventos Bioeléctricos

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• En un estudio polisomnográfico deben registrarse varias señalesen la cabeza del paciente.

EOG 1

EOG 2

EMG

EEG

• Asimismo debe evaluarse la actividad cardíaca y respiratoria delpaciente.

Eventos Bioeléctricos

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Polisomnografía(PSG) ¡¡¡Hasta 15 señales y signos vitales diferentes!!!

Eventos Bioeléctricos

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13¡¡¡Señales muy diferentes en amplitud y frecuencia!!!

Reg

istr

o P

SG

EOG 1

EOG 2

EMG

EEG 1

EEG 2

EEG 3

EEG 4

EMG

RESP 1

RESP 2

EGC

SaO2

Eventos Bioeléctricos

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Señales BioeléctricasElectrocardiograma (ECG)

• Las células cardíacas posen en reposo una diferencia de potencialentre el interior y exterior de la membrana celular

• Si una célula es excitada con un estímulo eléctrico de intensidad adecuada se produce un intercambio de iones a través de la membrana dando comoresultado un “Potencial de Acción”.

PTR = Potencial Transmembrana deReposo (-90 mV)

PU = Potencial Umbral ( • -70 mV)

Fase 0 = Despolarización

Fase 1 = Polarización inversa

Fase 2 = Meseta (o Plateau)

Fase 3 = Repolarización final

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• El ECG es el resultado de la superposición de los poten-ciales de acción de las células cardíacas.

Electrocardiograma (ECG)

Señales Bioeléctricas

Indice

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Electrocardiograma (ECG)

Señales Bioeléctricas

Indice

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Electroencefalograma (EEG)

• El EEG es el registro gráfico de la actividad eléctrica del cerebro.

• El EEG está formado por varios ritmos cerebrales conocidos como:

• • (f < 4 Hz)

• • (4 Hz < f < 8 Hz)

• • (8 Hz < f < 14 Hz)

• • (14 Hz < f < 30 Hz)

Señales Bioeléctricas

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Electroencefalograma (EEG)

• El EEG presenta diferentes fases o estadíos durante el sueño.

Señales Bioeléctricas

Awake: Despierto

Estadío 1: Somnolencia

Estadío 2: Sueño ligero

Estadío 3: Sueño normal

Estadío 4: Sueño profundo

REM: Movimiento ocular rápido

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Electromiograma (EMG)

• El EMG es el registro gráfico de la actividad eléctrica muscular.

• El EMG es el resultado de la suma de potenciales de acción de las fibras musculares

Señales Bioeléctricas

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Electrooculograma (EOG)

• El ojo humano se comporta como un “dipolo” teniendo la córnea un potencial positivo y la retina un potencial negativo.

• Los movimientos ocularesproducen cambios en laorientación espacial deldipolo que pueden serregistrados con electrodoscolocados en la cercanía delos ojos.

Señales Bioeléctricas

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Lugar Nombre del registro Amplitud Ancho de Banda [Hz]

Células Electrograma (EG) Registro IntracelularRegistro Extracelular

50 - 100 mV2 - 3 mV

DC – 100001000 - 10000

Corazón Electrocardiograma (ECG) ConvencionalAlta resolución

2 - 3 mV2 - 3 mV

0.05 – 1000.05 – 250

Cerebro Electroencefalograma (EEG) 5 – 300 µV 0.1 - 100

Músculo Electromiograma (EMG) 0.1 – 5 mV 50 – 5000

Ojo Electrooculograma (EOG) 50 µV - 350 mV 0.1 - 10Hz

Estómago EGG (electrogastrograma) 10 - 1000 mV DC - 1

Valores típicos de las señales bioeléctricas

Señales Bioeléctricas

Indice

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Valores típicos de las señales bioeléctricas

Señales Bioeléctricas

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• Un electrodo es un dispositivo que puede ser usado para:

• Los electrodos pueden ser de contacto óhmico o capacitivo

• La mayoría de las señales bioeléctricas son captadas con electrodos de contacto óhmico que son puestos en contacto con el tejido a estudiar por medio de un electrolito.

- Medir un evento bioeléctrico Bajas densidades de corriente

- Estimular un tejido excitable Altas densidades de corriente

Electrodos

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• 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-.

Interfase electrodo-electrolito

Electrodos

• La interfase electrodo-electrolito puede ser modelada como una fuente de tensión continua (DC), un capacitor y una resistencia.

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• El potencial desarollado en la interfase electrodo-electrolito se denomina “potencial de media celda”

Potencial de electrodo

Electrodos

• Este potencial depende del metal usado en el electrodo y de la solución usada en el electrolito.

• Este potencial varía también con la temperatura.

• En los electrodos usados comúnmente en Bioinstrumentación, este potencial de DC es mucho mayor que la amplitud de la señal a medir, por lo que debe ser eliminado o filtrado.

Indice

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Potencial de electrodo

Electrodos

Indice

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• Además del potencial de media celda, cada electrodo tiene una impedancia asociada a los materiales de la interfase y área del electrodo.

Impedancia de electrodo

Electrodos

• Warburg propuso un modelo simplificado de la interfase electro-electrolito basado en un circuito RC en serie con un potencial E

• Este modelo presenta el inconveniente de que la impedancia es infinita para f=0. Ello no ocurre en la práctica, por lo que se agrega una resistencia Rf en paralelo

Indice

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Electrodos

Indice

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• La medida de los potenciales bioeléctricos en un sujeto requiere de dos electrodos.

Electrodos sobre un sujeto

Electrodos

Indice

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• El amplificador de un equipo registrador de eventos bioeléctricosdebe medir el potencial bioeléctrico sin drenar corriente.

Impedancia de entrada del amplificador

Electrodos

• Para ello, la impedancia de entrada (Zin) del amplificador debe ser mucho más alta que la impedancia del electrodo en todo el rango de frecuencia del evento bioeléctrico.

• Si la Zin no es alta, se produce distorsión en la señal medida:- Reducción en amplitud del evento eléctrico.- Se modifica la morfología de la señal, debido a que la amplitud y fase

son diferentes para cada componente espectral.- La impedancia no será lineal y dependerá de la amplitud del evento

bioeléctrico

• Dado que la impedancia del electrodo varía en forma inversa con el área del mismo, para microelectrodos se requiere usar amplificadores con altísima impedancia de entrada.

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• MICROELECTRODOS Para medir potenciales bioeléctricoscerca o dentro de una célula.

Tipo de electrodos

Electrodos

• SUPERFICIALES Para medir potenciales ECG, EEG y EMGen la superficie de la piel.

• PERCUTÁNEOS Atraviesan la piel para registrar potencialesEEG en una región específica del cerebro opotenciales EMG en un músculo

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Electrodos Superficiales

Electrodos

• Electrodos de placa y disco.• Electrodos de succión.• Electrodos huecos o flotantes.• Electrodos flexibles.• Electrodos secos.

- Los electrodos superficiales se clasifican en

- Registran los potenciales directamente en la superficie corporal, por lo que no son invasivos.

- Para obtener un buen registro con bajo nivel de ruido debe reducirse la impedancia electrodo-piel.1) Afeitar la zona y limpiar con alcohol hasta enrojecer la piel2) Fijar correctamente el electrodo para reducir los artefactos de

movimiento

(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.

Electrodos de placa y de disco

Electrodos

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

Electrodos de succión

Electrodos

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Estos electrodos ofrecen mayor estabilidad al movimiento.

Anillo de cinta adhesiva

Empaquetado para aislamiento

Disco de metal

Gel electrolito en reposo(a)

(b)

Ag-AgCl Agarre externo

Copa plástica

Placa

Disco plástico

Soporte aislante Lazos capilares

Material celular muerto

Capa en germinación

Esponja protegida por Gel

Electrodos huecos o flotantes

Electrodos

(a) Electrodo con estructura de sombrero de copa.

(b) Electrodo desechable

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Electrodos huecos o flotantes

Electrodos

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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

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- Estos electrodos combinan adhesivo, electrolito y electrodo en una únicaestructura.

- Se ajustan a la estructura corporal- Uso en ECG y EMG

Electrodos Secos

Electrodos

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- No usan gel ni electrolitos- Están basados en semiconductores

http://www.orbitalresearch.com/Medical/dry-electrodes-intro.htm

Electrodos Secos

Electrodos

39http://www.orbitalresearch.com/Medical/dry-electrodes-solution.html

- Atraviesan la piel del paciente (son invasivos).

Electrodos Percutáneos

Electrodos

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- Al estar directamente en contacto con la zona a estudiar, se registran potenciales de mayor amplitud.

- Son menos susceptibles a los artefactos de movimiento por lo que los registros tienen menos ruido.

- Se usan en aplicaciones de EEG y EMG.

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 de aguja y profundos

Electrodos

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(a) Electrodo de Succión.

(b) Vista en secciónde un electrodo de succión en suubicación, quemuestra la penetración del dispositivo a través de la epidermis.

(c) Electrodo en forma de hélice quees acoplado a la pieldel feto mediante unaacción de atornillado.

Electrodos para electrocardiografía fetal

Electrodos

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(a) Electrodo de lazo de alambre.

(b) Electrodo de esfera de plata para potenciales corticales.

(c) Electrodo multielementoprofundo.

(d) Electrodo para marcapasos

Electrodos

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Electrodos Implantables

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

Electrodos

Arreglo de electrodos

-Se usan para sensar varios potencialessimultáneamente

- Se usan en ECG y EEG

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- Son electrodos usados para estudiar la actividad eléctrica de una celula.

Microelectrodos

Electrodos

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- Deben tener dimensiones más pequeñas que la celúla a estudiar (ej: una célula cardíaca tiene un diámetro de 20 µm, por lo que el electrodo intracelular tiene una diámetro de 2 µm).

- Se requiere equipos complejos para su inserción en la célula así también amplificadores especiales (con altísima impedancia de entrada).

- Se usan en aplicaciones de investigación.

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

Electrodos

Microelectrodo Metálico

46

(a) Microelectrodo metálicoaislada con vidrio.

(b) Microelectrodo de láminametálica y alma de vidrio

Microelectrodo metálico

Electrodos

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Circuito equivalente de microelectrodometálico(a) Electrodo situado en una célula quemuestra el origen de microcapacitancia. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuitoequivalente.

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

CmbCmaCdi

Cd2

Rs Cw

Insulation

CdCellmembrane

++ +

++

+++

++

++++++++++++ −−

− −

−− −−−

−−− −−−−−−

−−−

−

48

Electrodos

El metal del electrodo no está en contacto con la célula sino a través de unasolución electrolítica

(a) Sección que muestracapilar de vidrio.

(b) Capilar estrechadomediante calentamiento y compresión.

(c) Estructura final del microelectrodo pipeta de vidrio.

Micropipeta de vidrio

Electrodos

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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

Electrolyteinmicropipet

Stem

(a)

Referenceelectrode

Cell membrane

CytoplasmN = Nucleus

N

Environmentalfluid

Cd

50

Electrodos

(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)

5151

ElectrodosMicroelectrodos basados en tecnología microelectrónica

Indice

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PROBLEMÁTICA DE LA ADQUISICIÓNDE LAS SEÑALES BIOELÉCTRICAS

• El principal problema de la adquisición de las señales bioeléctricas proviene de los valores de amplitud y frecuencia de las mismas.

- Ruido blanco

- Interferencia de línea

- Ruido electrofisiológico

Origen externo

Origen interno

• Dichas amplitudes son pequeñas y a menudo se encuentran contaminadas de ruido que incluso puede ser superior al valor de la propia señal.

• Diferentes fuentes de ruido contaminan usualmente las señales:

Ruido