Sensores y Transductores BiomédicosUnidad III

Introducción• Los sensores biomédicos son usados de forma rutinaria

en la medicina y en el campo de la investigación biológica, con la finalidad de medir una gran variedad de variables fisiológicas.

• Por lo general son llamados de transductores biomédicos• El desarrollo de sensores biomédicos es de las áreas con

mayor crecimiento en la industria médica y está impulsado por dos tendencias muy fuertes:▫ El deseo del paciente y del médico para hacer diagnósticos

de forma instantánea▫ El deseo de hacer pruebas de diagnóstico no solo en

centros de laboratorios clínicos si no en el centro de atención donde está el paciente

Sensores y transductores

•A transducer is a devices that converts one kind of energy into another kind of energy.

• A sensor converts a physical parameter (input) into an electric output.

• An actuator converts an electrical energy into a physical output (e.g. motors).

Clasificación

•Por lo general son clasificados en relación a la cantidad a ser medida y típicamente son categorizados como físicos, eléctricos y químicos dependiendo específicamente de su aplicación

•Los biosensores, poseen dos componentes distintivos:▫Un elemento de reconocimiento biológico▫Una estructura de soporte, que a su ve

actúa como transductor

Biosensor

Medición de Biopotenciales

•La Medición de biopotenciales usa una gran variedad de electrodos

•La función de estos electrodos es acoplar los potenciales iónicos generados en el cuerpo humano a un instrumento electrónico

•Estos electrodos son clasificados como no-invasivos (superficiales) o invasivos (microelectrodos)

Interface electrolito/metal•Cuando un metal es colocado en una solución

electrolítica, se crea una distribución de cargas en la superficie de la interface

•Esta distribución de cargas causa una diferencia de potencial (half cell potential)

•Tipos de electrodos:▫ECG▫EMG▫EEG▫Microelectrodos

Electrodos para ECG

ECG

•Los electrodos vistos en la diapositiva anterior son los más comunes y tienen una composición de Ag/AgCl (plata/plata cloruro) lo que les da un buen contacto eléctrico con la piel.

EMG

•Para la grabación de señales eléctricas de nervios y fibras musculares existen una variedad de agujas percutáneas existen dos configuraciones:▫Bipolar▫Unipolar

Medidas de Desplazamiento

Métodos para medidas de desplazamiento•Resistivo•Inductivo•Capacitivo•Piezoeléctrico

Transductores resistivos

•Potenciómetros•Strain gauges (galgas de tensión,

indicador de deformación)

Potenciómetros

•Los potenciómetros convencionales pueden utilizarse para medidas de desplazamiento. Así la resistencia varía de acuerdo a la posición del cursor. Los potenciómetros son instrumentos de orden cero, es decir no siguen un comportamiento de acuerdo a ninguna ecuación diferencial

Potenciómetros

•R=(1−β)Rt

•Donde Rt es la resistencia total, β depende de la posición del cursor del potenciómetro, y en base a este número (que está entre 0 y 1) se obtiene una resistencia R efectiva del potenciómetro

Potenciómetro

Tipos

•Existen 2 tipos básicos de potenciómetros: rotacionales y traslacionales. Los rotacionales pueden ser de espira simple o múltiples espiras. Y un segundo tipo lo constituyen los potenciómetros traslacionales donde el desplazamiento es lineal.

tipos

Características• Los potenciómetros se pueden alimentar con AC o DC.

Producen una salida lineal al desplazamiento y la resolución depende de su construcción interna. Algunos usan películas de carbón; bobinados sobre cerámica con Níquel y Cobre; y otros usan partículas metálicas depositadas de materiales preciosos como oro y plata. Los potenciómetros son usados muy poco como sensores, aún cuando tienen algunas ventajas como el requerir una señal análoga para control, información de posición absoluta y son de bajo costo. Sin embargo son muy sensibles a la temperatura generalmente y se afectan fácilmente en ambientes húmedos o con mucho polvo.

Pros y contras de los potenciómetros

•Pros:▫Requieren una señal análoga para control▫Requieren información de posición

absoluta▫Bajo costo

•Contras:▫Sensibles a la temperatura (variación)▫No sirven para ambientes húmedos o con

mucho polvo

Strain gauges (Galgas extensiométricas)•Miden desplazamiento de hasta ± 1

mm/m•Pequeñas y livianas•Buena respuesta a altas frecuencias•Amplio rango de respuesta lineal•Calibración estable•Flexibles para usar•Bajo costo

Strain gauges

Circuitos en puente

Diagrama del puente de Wheastone. Se conocen 3 valores de resistencias y una cuarta es desconocida, si el puente está balanceado no hay paso de corriente por el voltímetro.

Transductores Inductivos• Los transductores de desplazamiento

inductivos está basados en su factor de inductancia L dado por:

L = n2 x G x μ G es una constante geométrica n es el número de vueltas de la bobina μ es la permeabilidad del medio magnético dentro

de la bobina.▫Los más comunes son los LVDT (linear variable

differential transformer)▫Ejemplos de aplicación: medición de cambios en

dimensiones de órganos internos

LVDT – Diagrama eléctricoLos sensores inductivos usan un núcleo variable para generar cambios en la inductancia, tal como se muestra en la figura

LVDT - transductores

LVDT

•Comercialmente es posible obtener LVDT de pequeño tamaño y de una buena eficiencia, lo que los hace idóneos para la medición de eventos fisiológicos. Los LDVT son relativamente insensibles a la temperatura y tienen una buena respuesta para cambios rápidos (altas frecuencias). De otro lado poseen un alto rango de linealidad, una sensibilidad de 0.5 a 2 mV para un desplazamiento de 0.001 mm/V.

Sensores capacitivos

•Se basan en la variación de capacitancia de un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión

Sensores capacitivos

•Pequeño tamaño y construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico

•Señal de salida es débil por lo que necesitan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición

•Son sensible a variaciones de temperatura

•Utilizados para medir presión sanguínea, presión plantar y otros

Tipos de transductores capacitivos

Sensores de Temperatura

Sensores de temperatura•Qué es la temperatura en sistema fisiológico?

▫Es el equilibrio entre mecanismos de producción de calor y mecanismos de enfriamiento, bajo regulación de centros nerviosos termorreguladores hipotalámicos.

•La temperatura normal es de 37°C (±0.3°C)•Puede medirse mediante un termómetro de

mercurio introducido en la cavidad rectal, en la boca o en la axila, en cuyo caso la medida es menos precisa.

Fisiología de la temperatura

•Termogénesis, es el producto del metabolismo celular

•Termólisis, es la sudoración y la vasodilatación

•Termorregulación, equilibra la termogénesis y la termólisis

Mediciones de temperatura

•Baja temperatura▫Pacientes en shock▫Anestesia▫Hipotermia inducida en cirugías▫Reduce el metabolismo

Mediciones de temperatura

•Alta temperatura▫Infecciones (fiebre), desnaturaliza enzimas

y proteínas▫Inflamación▫Artritis

•Otros▫Incubadoras

Medición de temperatura

•La medición de la temperatura se afecta enormemente por factores ambientales y métodos de medición.

•Controlar temperatura es complicado•Métodos:

▫Termocuplas (Termopares)▫Termo-resistores▫Detectores de radiación▫Detectores ópticos

Las termocuplas

•Consisten en la unión de dos materiales (metales comúnmente) unidos en un extremo y producen un pequeño y único voltaje según la temperatura. Este voltaje se interpreta de acuerdo a una tabla de calibración.

Termocuplas

Circuito de aplicación