instrumentacion biomedica
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INSTRUMENTACION
U.N.C - FCEFyN - Ing. Walter Gómez -
INSTRUMENTACIONBIOMEDICA
Sistemas de
Adquisición
Ing. Walter Gómez
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INSTRUMENTACION
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CAMPOS DE APLICACIONES DE LA INSTRUMENTACIÓN BIOMEDICA
•Bioinstrumentació n
•Biomateriales
•Biomecánica
•Bioseñ ales
•Biosistemas
•Biotransporte
•Ingeniería Celular
•Ingeniería Clínica
•Nanoingeniería
•Ingeniería en Reabilitació n
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AREAS DE TRABAJO
•Agricultura
•Botánica
•Genetica
•Medicina
•Microbiología
•Farmacología
•Veterinaria
•Zoología
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ENTRONOS LABORALES.
•Industria
•Gobierno
•Instituciones Médicas
•R & D Académico
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P r o b l e ms t a t e m e n t
R e v i e wp r i o r w o r k
S t a t eh y p o t h e s i s
P e r f o r me x p e r i m e n t s
D e s i g n f u r t h e re x p e r i m e n t s
A n a l y z ed a t a
F i n a lc o n c l u s i o n s
M o r ee x p e r i m e n t s
n e c e s s a r y
P r o b l e ms o l v e d
METODO CIENTIFICO: una hipótesis debe ser validada por medio de experimentos y/o test.
Metodología de Trabajo
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S e n s o r
D a t ac o m m u n i c a t i o n
D a t ad i s p l a y s
E f f e c t o r
M e a s u r a n d
S i g n a lc o n d i t i o n i n g
S i g n a lp r o c e s s i n g
D a t as t o r a g e
F e e d b a c k
O u t p u t s
SISTEMA DE MEDICION COMPLETO TIPICO
Se utilizan sensores para medir las variables, se procesan las señales y se muestran, se puede obtener realimentación para los actuadores
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I n s t r u m e n tP a t i e n t
I n s t r u m e n tP a t i e n t
C l i n i c i a n
Cerrar el Lazo…? Por ahora no….
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Measurement Range Frequency, Hz Method
Blood flow 1 to 300 mL/s 0 to 20 Electromagnetic or ultrasonic
Blood pressure 0 to 400 mmHg 0 to 50 Cuff or strain gage
Cardiac output 4 to 25 L/min 0 to 20 Fick, dye dilution
Electrocardiography 0.5 to 4 mV 0.05 to 150 Skin electrodes
Electroencephalography 5 to 300 µ V 0.5 to 150 Scalp electrodes
Electromyography 0.1 to 5 mV 0 to 10000 Needle electrodes
Electroretinography 0 to 900 µ V 0 to 50 Contact lens electrodes
pH 3 to 13 pH units 0 to 1 pH electrode
pCO2 40 to 100 mmHg 0 to 2 pCO2 electrode
pO2 30 to 100 mmHg 0 to 2 pO2 electrode
Pneumotachography 0 to 600 L/min 0 to 40 Pneumotachometer
Respiratory rate 2 to 50 breaths/min 0.1 to 10 Impedance
Temperature 32 to 40 ° C 0 to 0.1 Thermistor
VALORES CARACTERISTICOS DE LAS SEÑALES CORPORALES HUMANAS
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Specification Value
Pressure range –30 to +300 mmHg
Overpressure without damage –400 to +4000 mmHg
Maximum unbalance ±75 mmHg
Linearity and hysteresis ± 2% of reading or ± 1 mmHg
Risk current at 120 V 10 µA
Defibrillator withstand 360 J into 50 Ω
EN BASE A LA SEÑAL A MEDIR ……… SE ELIGEN LOS ELEMENTOS SENSORES MAS ADECUADOS.
Ej: Medición de Presión sanguínea. Características de un sensor para dicho rango.
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Specification Value
Input signal dynamic range ±5 mV
Dc offset voltage ±300 mV
Slew rate 320 mV/s
Frequency response 0.05 to 150 Hz
Input impedance at 10 Hz 2.5 MΩDc lead current 0.1 µΑReturn time after lead switch 1 s
Overload voltage without damage 5000 V
Risk current at 120 V 10 µΑ
EN BASE A LA SEÑAL A MEDIR ……… SE ELIGEN LOS ELEMENTOS SENSORES MAS ADECUADOS.
Ej: Medición de ECG. Características de un amplificador para ECG.
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S e n s o rs i g n a l
M e a s u r a n d
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
HISTERESIS
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S e n s o rs i g n a l
M e a s u r a n d
S e n s o rs i g n a l
M e a s u r a n d
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Baja sensibilidad – sensor con poca ganancia.(b) Alta sensibilidad – sensor con alta gananacia.
(a) (b)
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INSTRUMENTACION
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T i m eA
mpl
itude
T i m e
Am
plitu
de
(a) (b)
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Señales analógicas, pueden tener cualquier amplitud.
(b) Señales digitales, está limitado el número de valores de amplitud.
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) La señal de entrada sobrepasa el rango dinámico de la instrumentación.(b) La señal amplificada resulta saturada y se distorsiona.
(a)
(b)
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INSTRUMENTACION
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(a)
T i m e
A m p l i t u d e
D c o f f s e t(b)
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Señal de entrada sin DC OFFSET – continua superpuesta . (b) Señal de entrada con DC OFFSET – corrimiento por contínua adicionada.
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0 . 0 5 H z 1 5 0 H z
F r e q u e n c y
A m p l i t u d e
1 . 0
0 . 1
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
Respuesta en Frecuencia.
Ej: ECG
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INSTRUMENTACION
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O u t p u t
I n p u t
O u t p u t
I n p u t
(a) (b)
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Sistema Lineal responde a la ecuación y = mx + b. (b) Sistema no lineal
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INSTRUMENTACION
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T i m eAmplitude
T i m e
Amplitude
(a) (b)
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Una señal contínua tiene valores a cada instante de tiempo. (b) Una señal discreta ha sido muestreada a lo largo del tiempo y no tiene valores entre los datos muestreados.
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(a) (b)
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Señal sin ruido. (b) La interferencia superpuesta produce errores. Sistemas de filtrado reducen el ruido y la interferencia.
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INSTRUMENTACION
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(a) (b)
Los datos puden ser: (a) Con baja precisión (b) Con alta precisión.
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
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INSTRUMENTACION
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Los datos pueden ser:(a) Con baja representación (b) Con alta representación.
(a) (b)
CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
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R p
G a l v a n o m e t e r
R s
G a l v a n o m e t e r
( a ) ( b )
Formas de medición
Instrumentación Básica
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R 1 R 1
R 3 R x
a b
+
−
I 1 I 2
Circuito puente de Wheatstone
2211 RIRI =
x21 3 RIRI =
Formas de medición - Instrumentación Básica
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INSTRUMENTACION
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R 2
v o
v 1
R 1
R 1
R 2
v 2
v 3
v 3A
−
+
Amplificador Inversor Amplificador diferencial
221
23 v
RR
Rv
+=
2
o3
1
31
R
vv
R
vvi
−=
−=
R f
v ov i
R i
ii
A−
+
( a )
Formas de medición - Instrumentación Básica
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Amplificador Diferencial de Instrumentación
R 2
v o
R 1
R 1
R 2
A−
+−
+
R s
R s
v d / 2
v d / 2
−
+
−
+
−
+
v c
Formas de medición - Instrumentación Básica
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INSTRUMENTACION
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Gai
n
F r e q u e n c y ( H z )1 0 0 1 0 41 0 2 1 0 6
1
1 0 C i r c u i t g a i n o f 1 0
ANCHO DE BANDA
Diferentes rangos, segun op amp gain ideal, con ganancia a lazo abierto y la del circuito
C i r c u i t b a n d w i d t hI d e a lg a i n
T y p i c a l o p e nl o o p g a i n
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INSTRUMENTACION
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T ( f )
ff c
1 . 0
0 . 1
0 . 0 11 1 0 01 0
T ( f )
ff c
1 . 0
0 . 1
0 . 0 11 1 0 01 0
(a) (b)
FILTROS
a.- Pasa bajob.- Pasa alto
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INSTRUMENTACION
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(a) (b)
FILTROS
a.- Pasabandab.- Eliminabanda
T ( f )
ff 2f 1
1 . 0
0 . 1
0 . 0 11 1 0 01 0
T ( f )
ff 1 f 2
1 . 0
0 . 1
0 . 0 11 1 0 01 0