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CAP 1. CONCEPTOS BASICOS DE LA BIOINSTRUMENTACION TOPICOS ESPECIALES DE INGENIERIA FISICA VI Escuela de Ingeniería Física - FC

Blga. Pilar García Avelino

CONTENIDO 

Introducción.



Historia.



Importancia de la materia.



Elementos básicos de los sistemas de bioinstrumentación.



Clasificación de bioinstrumentos.



Características.



Errores en la medición.



Análisis estadístico.

HISTORIA 1750

1752 – Ben Franklin vuela el primer cometa en una tormenta 1774 – Walsh demuestra que la electricidad pasa por el cuerpo humano

1785 – Coulomb trabaja con las leyes de atracción

1800 1826 – Ohm formula la ley de la resistencia eléctrica 1831 – Faraday y Henry descubren que un imán en movimiento induce una corriente eléctrica

1791 – Galvani hace pruebas con “electricidad animal” 1800 – Volta crea la primer batería

1820 – Oersted descubre el electromagnetismo. Ampere mide el efecto magnético del campo eléctrico

1850 1860 – Maxwell presente las ecuaciones para las leyes de electricidad y magnetismo 1886 – Hertz descubre las ondas electromagnéticas

1895 – Roentgen descubre los rayos X

1900

1904 – Fleming descubre el tubo al vacio

1897 – Thomson descubre los electrones 1903 – Einthoven inventa el galvanómetro de cuerda 1909 – Milikan mide la carga de un electrón 1920’s – Se inventa la televisión

1929 – Franz Berger realiza el primer EEG 1948 – Primer computadora digital

1935 – Amplificadores se utilizan para grabar EEGs 1948 – Transistores

1960 – Primer marcapasos implantable

1959– Primera computadora a base de transistores

1950

1972 – Primer maquina CAT. Primer micropresador 1981 – Primer computadora personal

2000

Antes del año 1900

En el siglo XX 

Acelerado avance tecnológico y científico.



Utilizan tecnología para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

HOSPITAL MODERNO En los últimos 100 años el hospital ha pasado a ser el lugar para:  Consulta

médica

 Diagnóstico  Tratamiento  Control

y prevención

 Atención

de emergencias

 Desarrollo

de nuevas tecnologías

Sala de Operaciones del siglo XIX

Sala de Operaciones del siglo XXI

Desarrollo de instrumentos 1895

• Rayos X – W.K. Roentgen (primer equipo de imagenología del cuerpo)

• Primer electrocardiógrafo – William Einthoven (primera medición de electricidad del corazón) 1903 1927

• Respirador Drinker

• Primer electroencefalograma – Hans Berger (medición de las corrientes del cerebro) 1929

• Uso de amplificadores para EEG – se descubrió que la corteza del cerebro lleva un ritmo especifico 1935 1939

• Primer Bypass Cardiovascular

1940’s

1950’s

1960

1972

• Cauterización Cardiaca • Angiografía

• Microscopio de electrones

• Primer marcapasos implantable – W. Chardack y W. Greatbatch • CAT (primer instrumento medico basado en una computadora)- muestra todos las estructuras internas de un plano del cuerpo

2000

• Equipo de diagnóstico (ECG), de control de funciones fisiológicas (marcapasos). Equipo implantable.

Desarrollo de la tecnología en los últimos 40 años ha ido de la mano del desarrollo de los equipos médicos. Computadoras Telemetría (monitoreo y control de viajes espaciales)

Transmisión inalámbrica

Equipo medico

¿Cómo se ha logrado este avance? 

Avances tecnológicos en otros campos (electrónica, espacial, etc.)



Colaboración de médicos e ingenieros para desarrollar nuevas tecnologías de equipo médico (nacimiento del Ingeniero Biomédico)



Inversión de gobiernos y empresas privadas en hospitales, investigación y desarrollo

EJEMPLOS DE INSTRUMENTOS BIOMEDICOS

MARCAPASOS

ECOGRAFO

LAPAROSCOPIO

ULTRASONIDO

MRI

PROTESIS

PET SCAN

INTRODUCCIÓN OBJETIVO La captura de las señales biológicas. 

Biopotenciales,



Presión,



Temperatura,



Concentración de iones,…

INTRODUCCIÓN SENSAR

CUANTIFICAR

• CIRCUITOS ELECTRONICOS

• TRANDUCTORES

INTRODUCCIÓN SENSAR

INGENIERIA

CUANTIFICAR

• CIRCUITOS ELECTRONICOS

• TRANDUCTORES

ELECTRONICA

TEORIA DE SISTEMAS

SEGURIDAD ELECTRICA

BIOCOMPATIBILIDAD

SEÑALES BIOMEDICAS 

Una señal es un fenómeno que transporta información.



Las señales biomédicas se utilizan para. obtener información de un sistema biológico en estudio.

Esquema general de un equipo de bioinstrumentación

SEÑALES

RESTRICCIONES EN LA MEDICIONES MEDICAS Para la construcción y diseño de un biointrumento: FISIOLOGIA… algunos criterios médicos

RANGOS DE LA MEDICION RANGOS DE LA FRECUENCIA

Características de rango, frecuencia y método de algunas mediciones médicas comunes

Mediaciones y Señales Eléctricas

Elementos básicos de los sistemas de bioinstrumentación 

SEÑAL MEDIDA



SENSOR



ACONDICONAMIENTO DE LA SEÑAL



DISPOSITIVO DE SALIDA



ELEMENTOS AUXILIARES

SEÑAL MEDIDA 

Magnitud física, propiedad… cuantificable



Accesibilidad a la medida del parámetro: Interna: presión de la sangre Superficial: electrocardiograma

Emanan del cuerpo: radiaciones infrarrojas, muestra biológica Señal: mecánica, bioeléctrica, química

SEÑAL MEDIDA TIENEN CATEGORIAS

ORGANO



BIOPOTENCIALES



PRESION



FLUJO



DIMENSIONES (imágenes)



DESPLAZAMIENTO: velocidad, aceleración, fuerza



TEMPERATURA



CONCENTRACIONES QUIMICAS

TODA LA ESTRUCTURA ANATOMICA

SEÑAL DE CALIBRACIÓN Es una señal de amplitud y frecuencia conocida que se le aplica al sensor.

Esta señal permite ajustar el sistema para tener el resultado correcto!

LA ACCIÓN DE MEDIR NO DEBE ALTERAR LA MAGNITUD DE LA MEDIDA

CAP 2. SENSORES Y PRINCIPIOS BASICOS TOPICOS ESPECIALES DE INGENIERIA FISICA VI Escuela de Ingeniería Física - FC

Blga. Pilar García Avelino

SENSOR 

Normalmente el término “transductor” se emplea para definir a aquellos dispositivos que convierten un forma de energía en otra.



El término “sensor” se emplea para los dispositivos que convierten una medida física en una señal eléctrica.



El sensor debe responder a la forma de energía presente en la medida que se desea realizar y excluir las demás. Además debe poseer una interfaz con el tejido o sistema vivo de forma que no interfiera en éste, debe de minimizar la energía extraída y ser lo menos invasivo posible.

SENSOR 

Muchos sensores constan de elementos sensores primarios como diafragmas, que convierte la presión en desplazamientos. Un elemento de conversión se encarga posteriormente de convertir esta magnitud en señales eléctricas como puede ser una galga que convierte el desplazamiento en tensión.



Algunas veces, las características del sensor puede ajustarse para adaptarse a un amplio rango de sensores primarios.



Otras veces se necesitan alimentaciones externas para alimentar estos sensores y obtener datos de salida de los mismos.

SENSORES

TRANSDUCTOR

SENSOR

•Convierten una forma de energía en otra

•Convierten una medida física en una señal eléctrica

SENSORES

TRANSDUCTOR

•Convierten una forma de energía en otra ACONDICIONAMIENTO

SENSOR

•Convierten una medida física en una señal eléctrica

PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL

ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL •

La señal obtenida del sensor no puede aplicarse directamente al dispositivo de salida (pantalla, papel..etc).

•

…ACONDICIONADOR puede amplificar, filtrar y adaptar la impedancia del sensor a la pantalla.

•

Las SEÑALES se digitalizan y se procesan utilizando ordenadores o microcontroladores.

DISPOSITIVOS DE SALIDA •

El resultado del proceso de medida se muestra de la forma más sencilla de interpretar por parte del operador humano.

•

Los resultados pueden representarse por medio gráficos o datos numéricos, …de forma continua o discreta, …de manera temporal o permanente … alertas

ELEMENTOS AUXILIARES 

Calibración



Realimentacion de las señales de salida (equipo o parámetros del sensor)



El control y el sistema de realimentación puede ser automático o manual.



Almacenamiento de los datos



Seguridad que alertan ante posibles riesgos por parte del sujeto.



Telemetría… datos…

CARACTERISTICAS DE LA BIOINSTRUMENTACION 1.

La acción de medir no debe alterar la magnitud medida

2.

Hay que garantizar la seguridad del paciente

3.

Los equipos, éstos deben ser robustos, fiables y de fácil calibración.

CLASIFICACIÓN DE LA BIOINTRUMENTACION 1. MAGNITUD DE MEDIDA 2. PRINCIPIO DE TRANSDUCCION Resistivo, inductivo, capacitivo, ultrasonidos o electroquímicos

3. SISTEMA FISIOLOGICO Parámetros por cada área especifica

4. ESPECIALIDADES MEDICAS

Qué características estáticas generales existe en los equipos de bioinstrumentación 

EVALUA LOS CRITERIOS CUANTITATIVOS



CALIDAD DEL EQUIPO



MAGNITUDES DE MEDIDA



LA EMISION DE LAS SEÑALES DE SALIDA



INTERFERENCIAS DEL EQUIPO

ENTRADA DE SEÑAL

SALIDA DE SEÑAL

EXACTITUD La exactitud de una única medida es la diferencia entre el valor real y el valor medido dividido por el valor real. Este ratio normalmente se expresa en tanto por ciento.

Varía en función del rango y la frecuencia de la magnitud a medir

PRECISIÓN La precisión de una medida determina el número de dígitos válidos en una medida realizada. Por ejemplo, una medida de 2,434 V es más precisa que una medida de 2.43 V ¿ALTA PRECISIÓN es ALTA EXACTITUD?

RESOLUCION

SENSIBILIDAD

Representa el incremento mas pequeño de la magnitud de entrada que pueda medirse con certeza

Representa el incremento que sufre la señal de salida ante un incremento de la magnitud de entrada

REPITIVIDAD/REPRODUCIBILIDAD Es la capacidad de un instrumento de obtener la misma salida para la misma entrada aplicada en instantes de tiempo diferentes. Exactitud de la medida?

CRITERIOS DE DISEÑO

ESPECIFICACIONES GENERALES DE LOS EQUIPOS

ESPECIFICACIONES DEL SENSOR Y DE ENTRADA (I) 

Medida: magnitud física, propiedad o condición que se mide.



Medida diferencial o absoluta: cuando la medida se realiza de forma diferencial o unipolar.



CMRR (rechazo al modo común): Establece la relación entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común.



Rangos de funcionamiento: Valores de la señal de entrada posibles. El ajuste de determinados sensores pueden requerir cambios o ajustes mecánicos.



Rangos de sobrecarga: Posibles valores de la entrada que pueden tolerarse si dañar el equipo.

ESPECIFICACIONES DEL SENSOR Y DE ENTRADA (II) 

Tiempo de recuperación de sobrecarga



Sensibilidad: indica la variación de la salida ante variaciones de la entrada.



Impedancia de entrada.



Principio del sensor: indica en principio de funcionamiento del sensor para captar la magnitud a medir.



Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta, el coeficiente de amortiguamiento y la frecuencia natural o de resonancia…

ESPECIFICACIONES DEL SENSOR Y DE ENTRADA (III) 

Respuesta en frecuencia: La distorsión de fase o de amplitud (función de las frecuencias) de las señales que se desean medir.



Excitación del sensor: Debe especificarse los requisitos de alimentación del sensor y el modo y magnitud necesaria para excitarlo y obtener una medida.



Aislamiento: Deben especificarse el aislamiento eléctrico u otros métodos de seguridad del equipo.



Dimensiones físicas: El tamaño, modo de acoplamiento del sensor primario al equipo…



Cuidado y manejo especial: … mantenimiento

ESPECIFICACIONES DE PROCESADO DE LA SEÑAL 

Método de procesamiento: Los métodos, la teoría de funcionamiento, los circuitos electrónicos, el análisis, el procesado de la señal deben describirse



Compensaciones o correcciones: requerirse ajustes.



Supresión del cero: Consiste en el ajuste de los amplificadores para compensar los desplazamientos de la señal.



Filtrado: …en función de la banda de frecuencia que se desea procesar o eliminar.

ESPECIFICACIONES DE SALIDA 

Valores de salida: Es el margen de valores de salida que puede representar el dispositivo de salida...



Rango de valores de salida donde el funcionamiento es lineal y no se produce saturación.



Potencia de salida: La máxima potencia que se puede aplicar a una carga para un valor especifico.



Impedancia de salida…valor que se indique



Velocidad de representación: de los datos del dispositivo de salida o pantalla.



Tiempo de salida: no trabajan en tiempo real, determina el tiempo que tarda el procesar una señal.



Interface: modo de transmisión o comunicación

FIABILIDAD Y POSIBLES ERRORES (I) 

Exactitud: Da idea del mayor error entre el valor real y el valor medido.



Repetitibilidad: Posibles variaciones de la salida ante la misma entrada en diferentes instantes de tiempo.



No-linealidad: Desviación del modo de func. lineal.



Susceptibilidad a interferencia: sensibilidad y variaciones de las señales de entrada.



Relación señal/ruido: Es la relación entre el valor de la señal (de pico) y el ruido.



Estabilidad: Determina posibles derivas del instrumento en función del t, T, humedad…etc.

FIABILIDAD Y POSIBLES ERRORES (II) 

Modo funcionamiento: Mínimas condiciones o que las especificaciones no se vean profundamente alteradas.



Fiabilidad: se expresa por medio del tiempo medio entre fallos.



Requisitos de alimentación: Tensiones, frecuencia..etc.



Circuitos de protección: Fusibles, diodos, aislantes.



Códigos y regulaciones.



Requisitos del entorno: Temperatura, humedad, altitud, radiaciones, sustancias corrosivas.

FIABILIDAD Y POSIBLES ERRORES (III) 

Conexiones eléctricas y mecánicas: Compatibilidad con otros instrumentos.



Montaje: Establece si el equipo se monta solo o en “rack”.



Dimensiones, Peso, Materiales de construcción.



Accesorios y opciones.



Material fungible: Establece requisitos de materias fungible o consumible: paper, gel para ultrasonidos, electrodos, productos químicos..etc.



Garantía, Coste.

ERRORES EN LAS MEDICIONES Las características estáticas del instrumento describen su funcionamiento y prestaciones para corriente continua o señales de entrada o baja frecuencia

Las propiedades de la señal de salida para un amplio rango de valores de entrada constantes determinan la calidad de la medida

IMPORTANCIA DE LA MATERIA? PERSPECTIVAS… Al futuro!

PERSPECTIVAS

…Al futuro •

Diagnóstico temprano

•

Acceso a zonas remotas

•

Bajo costo

•

Medicina de prevención

•

Tratamientos específicos y genéticos

•

Monitoreo remoto