77Araiza LH y col. Medicin de impedancia elctrica de la piel en el rango de frecuencia de 5 a 1,000 Hz

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ARTCULO DE INVESTIGACIN ORIGINALSOMIB

REVISTA MEXICANA DEINGENIERA BIOMDICA

Vol. XXVIII, Nm. 2Diciembre 2007

pp 77 - 82

RESUMENRESUMENRESUMENRESUMENRESUMEN

La piel posee caractersticas elctricas que deben considerarse enel registro de seales bioelctricas con electrodos de superficie, de-bido a que un mal acoplamiento electrodo-piel ocasiona una me-dicin de poca calidad. La impedancia elctrica de la piel se debea las caractersticas propias de ella. En este artculo se presentan losresultados de impedancia obtenidos en tres sujetos A, B, C, en dife-rentes intervalos de tiempo y en grficas de Cole-Cole. La tcnicautilizada para la medicin de impedancia es de 3 electrodos coninyeccin de corriente constante en el espectro de frecuencias de 5a 1,000 Hz. La impedancia de la piel vara de sujeto a sujeto (A, B, C),en los resultados la impedancia vari desde 406.7 KOhms para 5 Hzhasta 23.5 KOhms para 1,000 Hz. Los electrodos usados son de Ag/AgCl en forma de copa de 9 mm de dimetro. La tarjeta de adqui-sicin fue programada en Labview 6.1.

Palabras clave:Palabras clave:Palabras clave:Palabras clave:Palabras clave: Impedancia, Cole-Cole, piel.

ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT

The skin has electrical properties that affect the bioelectrical signalsquality when they are recorded by surface electrodes. The skin haselectrical impedance due its physical and physiological characte-ristics. In this paper the results of skin impedance are represented inCole-Cole graphics for A, B, C at different time. The technique used toimpedance measurement was the three electrodes applying a con-stant current in the frequency spectrum 5 to 1,000 Hz. The skin imped-ance was different of person to person (A, B, C). The skin impedanceresults were since 406.7K Ohms for 5 Hz to 23 K Ohms for 1,000 Hz. Theelectrodes were Ag/AgCl cup 9 mm diameter. The acquisition boardwas programmed in LabView 6.1.

Key Key Key Key Key WWWWWords:ords:ords:ords:ords: Impedance, Cole-Cole, Skin.

Medicin de impedancia elctrica de la piel en elrango de frecuencia de 5 a 1,000 Hz

Araiza Lizarde H,*Muoz Guerrero R*

* Departamento de IngenieraElctrica, Seccin Bioelectrnica,CINVESTAV IPN, Mxico.

Correspondencia:Herlinda Araiza LizardeAv. IPN Nm. 2508Col. San Pedro Zacatenco,Del. Gustavo A. Madero,Mxico D. F., 07360haraiza@cinvestav.mx

Artculo recibido: 13/julio/2007Artculo aceptado: 29/octubre/2007

I. INTRODUCCIN

La piel es la barrera protectora contra el medioambiente y constituye el rgano ms grande delcuerpo humano. La piel tiene caractersticas fsicasy fisiolgicas que presentan una impedancia elc-trica, Z, que afecta la calidad de seales bioelc-tricas registradas con electrodos de superficie. Los

valores reportados de impedancia de piel, Zs, va-ran desde 100 hasta 1 M de acuerdo a la fre-cuencia usada y el tipo de piel1. Para la medicinde impedancia existen diferentes tcnicas2. De lascuales, se utiliz la de tres electrodos para la medi-cin de impedancia en la piel3, inyectando unacorriente alterna controlada de 5.3 A pico, a 5,40, 80, 120, 160, 200, 400, 600 y 1,000 Hz. Debido

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a que a frecuencias bajas la densidad de corrientees uniforme4. La impedancia de la piel en el reabajo un electrodo de 9 mm de dimetro vari deacuerdo a la frecuencia y al sujeto, desde 406.7K para 5 Hz hasta 23.5 K para 1,000 Hz. La gene-racin y adquisicin de seales se realiz con la tar-jeta Daqboard1000 programada en LabView 6.1,con la modificacin de algunos controladores delfabricante.

II. METODOLOGA

Las mediciones de impedancia se realizaron en lapiel sobre el msculo primer dorsal interseo pormedio de 3 electrodos en forma de copa de Ag/AgCl con un dimetro de 9 mm. El rea de la pielfue lavada con jabn de tocador y secada com-pletamente, los electrodos Ea, Eb y Ec fueron colo-cados de la siguiente forma: Ea se coloc sobre lapiel del msculo primer dorsal interseo, Ec a 5 cmde Ea sobre la palma de la mano y Eb a 1.5 cm deradio a radio de Ea, se utiliz pasta conductiva paraEEG de la marca Ten20 en cada electrodo, en loselectrodos Ea y Ec se inyect la corriente de 5.3Ap y la diferencia de voltaje se midi en Ea conrespecto a Eb (Figura 1). La medicin de Zs fue a

tres diferentes tiempos desde la colocacin de loselectrodos, Tinicio, Tmedio, Tfinal, a 10 minutos dediferencia con respecto al anterior. Esto es Tinicial= 0, Tmedio = 10 min. Y Tfinal = 20 min.

En la Figura 2, se muestra el diagrama a bloquesdel dispositivo medidor de impedancia, el cual sedividi en 4 etapas: 1) La generacin del espectroen frecuencia a utilizarse, 2) La conversin de volta-je a corriente de amplitud constante, 3) La medi-cin de la diferencia de potencial generada por lacorriente inyectada sobre la piel y 4) La adquisiciny procesamiento de los datos.1) Generacin del espectro en frecuencia: Las fre-

cuencias utilizadas fueron 5, 40, 80, 120, 160, 200,400, 600 y 1,000 Hz, todas ellas generadas enLabView en un solo barrido con una duracin de2.87 segundos, con amplitud de 5 Vpp. La fre-cuencia de 5 Hz se aplic durante un segundo ydel resto 30 periodos por frecuencia. Las frecuen-cias y amplitudes fueron validadas con un osci-loscopio digital de la marca Tektronix de dos ca-nales. Una vez generado el espectro defrecuencias, se rechaz la frecuencia de 60 Hzcon un filtro notch y fueron aislados de tierra fsi-ca por el ISO124 de Texas Instruments.

2) Conversin de voltaje a corriente: Las sealesgeneradas fueron convertidas de voltaje a co-rriente por una fuente Howland5. La corrienteconstante a diferentes frecuencias fue inyecta-da en los sujetos con su previo consentimientopor medio de los electrodos Ea y Ec. Posterior-mente se detect el voltaje generado por dichacorriente.

3) Medicin de la diferencia de potencial gene-rado por el paso de la corriente inyectada so-bre la piel: En los electrodos Ea y Eb se detectla diferencia de voltaje con un amplificador deinstrumentacin, IA, de alta impedancia de en-trada con acoplamiento en ac, INA118 y OPA602.La alta impedancia de entrada evita el paso decorrientes no deseadas por el amplificador, dan-do como resultado la medicin de la diferenciade potencial bajo el rea del electrodo Ea.

4) Adquisicin y procesamiento de los datos: Unavez medida la diferencia de voltaje, sta es trans-ferida de la etapa aislada a la etapa fsica conotro ISO 124, los datos son adquiridos y almace-nados en un archivo texto, para su posterior an-lisis. La generacin y adquisicin de los datos serealiza en la misma ejecucin del programa, elcual se detiene automticamente, evitando al-macenar datos sin informacin. Los datos adqui-ridos son procesados en tablas de Excel para ser

Figura 1. Colocacin de los electrodos para la medicin deimpedancia.

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www.medigraphic.comrepresentados en grficas de Cole-Cole, comocircuitos R-C de tres elementos6. Las grficas serepresentan en sus valores Real (Re), e Imagina-rio (Im).

III. RESULTADOS

A. Modelos elctricosLos electrodos fueron colocados sobre la mano(Figura 1), y se realizaron las mediciones de impe-

dancia. En este trabajo se presentan las medicio-nes de tres sujetos, dos hombres (A, C) y una mujer(B), (28.3 3.5).

En la Figura 3 se observa la grfica del com-portamiento de la impedancia de los 3 sujetosA, B, C, en el espectro de frecuencias y a los3 intervalos de tiempo que se realizaron las me-diciones.

En la Figura 4, se muestra el comportamiento dela impedancia con respecto a la frecuencia en el

Inyeccinde

corrientepor

electrodos

AISLADO

Generacin,Adquisicin

&Procesamiento

FiltroNotch60Hz

Medicin devoltaje

diferencialen la piel

IA

PCPC

V IConvertidor

Figura 2. Diagrama a bloquesdel sistema medidor de impe-dancia.

Figura 3. Variaciones deimpedancia en A, B, C enel rango de 5 a 1,000 Hz,con un total de 9 valorespor frecuencia.

1.5E+51.5E+5

1.0E+5

Z (Ohms)

5.0E+4

0

5 40 80 120 160 200 400 600 1000Frecuencia (Hz)

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sujeto C a los intervalos de tiempo, Tinicial, Tmedioy Tfinal.

En la Figura 5, se representan los diagramas elc-tricos de los sujetos A, B y C, en el Tinicial. Donde elcapacitor, C, y la resistencia en paralelo, Rp, estnen serie con la resistencia Rs. Los valores del mode-lo elctrico para cada sujeto en los tres intervalosde tiempo, se muestran en el Cuadro I.

B. Grficas Cole-ColeLa grfica de Cole-Cole, es la representacin delos valores reales e imaginarios de impedancia,modelando tejidos biolgicos con circuitos R-C, eneste caso el modelo que usamos para modelar lapiel fue el de 3 elementos (Figura 5). Las ecuacio-nes utilizadas son las siguientes:

2

0

)(1Re

w

RRR

(1)

20

)(1

)(Im

w

wRR

(2)

Figura 4. Impedancia en el sujeto C en T inicial, T medio y Tfinal.

050000

100000150000200000250000300000350000400000450000

Tinicial Tmedio Tfinal

Z O

hms

Frecuencia (Hz)5 40 80 120 160 200 400 600 1000

Donde w es igual a 2f, f es la frecuencia de lacorriente aplicada, es igual a Rp*C. R, es la Re-sistencia a f = infinito, en este caso 1,000 Hz. R0, esla Resistencia a f = 0, en este caso 5 Hz. Algunosautores aplican un factor de correccin de los va-lores de impedancia, ya que los tejidos biolgicosno se comportan como un circuito RC ideal7. En losresultados presentados no se realiz el factor decorreccin.

La resistencia en el plano real, Re, se calculusando (1) y la resistencia en el plano imaginario,Im, se calcul usando (2).

En la Figura 6, se presenta la impedancia del su-jeto C, en grficas de Cole-Cole.

En las Figuras 7 y 8 se grafican los valores de im-pedancia en Tinicial y Tfinal de los sujetos A, B, C.

En la Figura 9 se grafican los valores de impe-dancia para los tres sujetos en los tres intervalos detiempo.

IV. DISCUSIN

Los resultados muestran que la impedancia varade persona a persona (Figura 7), los valores de im-pedancia inicial para el sujeto C fue de 406,706Ohms, obteniendo el valor Im mayor en 40 Hz(180,225, 178,220). A diferencia del sujeto B el cualpresent una impedancia inicial de 68,557 Ohms,obteniendo el valor Im ms alto a 200 Hz (53,548,20,075). En el sujeto A su impedancia inicial fue de158,546 Ohms, obteniendo el valor Im ms alto a120 Hz (84,610, 60,888). A medida que transcurreel tiempo los valores de impedancia varan, dismi-nuyendo a veces considerablemente como se ob-serva en la Figura 6, esto puede ser el resultado dediferentes factores, el intercambio inico entre elelectrlito y la piel, el sudor, la humedad en el am-biente, etc., que hacen ms conductiva la piel,disminuyendo as su impedancia. En las medicio-nes en Tfinal para los tres sujetos, los valores de

Figura 5. Diagramas elctri-cos de la impedancia de lapiel, en los sujetos A, B y C, enT inicial.

34.47k Rs

Rp C

124.08k12.98nf

A1

26.7k

41.86k 14.21nF

B1

13.79nF

39.98k

366.73k

C1

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Cuadro I. Valores para el modelo elctrico de la piel, deA, B, C.

Valores del modelo elctricopara cada sujeto

Sujeto Rs () Rp () C (nF)

A1 T inicial 34466 124080 12.98A2 T medio 38728 145637 13.60A3 T final 42613 182986 15.00B1 T inicial 26696 41861 14.20B2 T medio 24440 29077 16.00B3 T final 23562 35469 15.60C1 T inicial 39981 366725 13.78C2 T medio 21933 32229 14.50C3 T final 39229 48002 13.60

Figura 6. Grficas de Cole-Cole para el sujeto C.

0

50000

100000

150000

200000

0 100000 200000 300000 400000Re (Ohms)

CTinicial CTmedio CTfinal

Incremento en frecuencia

Im (O

hms)

Figura 7. Grfica de Cole-Cole para los tres sujetos en Tini-cial.

0

30000

60000

90000

120000

150000

180000

210000

0 100000 200000 300000 400000Re (Ohms)

ATinicial BTinicial CTinicial

Im (O

hms) Figura 9. Grficas de Cole-Cole para los sujetos A, B, C, en

Tinicial, Tmedio y Tfinal.

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

0

1000

00

2000

00

3000

00

4000

00

5000

00

Re (Ohms)

ATinicial

ATmedio

ATfinal

BTinicial

BTmedio

Bfinal

CTinicial

CTmedio

CTfinal

Im (O

hms)

Figura 8. Grfica de Cole-Cole para los tres sujetos en Tfinal.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 50000 100000 150000Re (Ohms)

ATfinal BTfinal CTfinal

Im (O

hms)

impedancia disminuyeron. El sujeto C tanto enTinicial como en Tfinal tuvo la mayor impedanciacon respecto a A y B.

V. CONCLUSIN

La impedancia de la piel aun en un mismo sujetovara con el tiempo. Entre sujetos existen grandesvariaciones de impedancia, ya sea por el grosor dela piel, o por otras condiciones fisiolgicas. Debido

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a estas variaciones es difcil presentar un modelonico para representar elctricamente la piel, yaque al realizarse mediciones de impedancia a dife-rentes intervalos de tiempo sobre el mismo sujeto,se obtuvo un modelo elctrico diferente para cadamedicin. Aun as la piel presenta caractersticaselctricas semejantes a las de un circuito R-C, don-de Rp y C se comportan como resistencia y capa-citor variable. La medicin de la impedancia de lapiel permite realizar registros cuando su valor es m-nimo, permitiendo un mejor acoplamiento de loselectrodos con la piel, para una mejor calidad delregistro bioelctrico.

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