• Author / Uploaded
• Jorge Angulo Rivas

Citation preview

2014

INSTRUMENTACION BIOMEDICA ELECTRODOS DE BIOPOTENCIALES REALIZADO POR:  ANGULO JORGE  AREVALO TITO  BRITO ANDRÉS  DEFAS RICARDO

CONTENIDO DESCRIPCION ........................................................................................................................... 2 CARACTERISTICAS ELECTRICAS .............................................................................................. 2 TIPOS DE ELECTRODOS ............................................................................................................ 4 COMPORTAMIENTO Y MODELO EQUIVALENTE.................................................................... 5 RECOMENDACIONES EN EL USO DE ELECTRODOS ............................................................. 6 TIPOS DE ELECTRODOS PARA BIOPOTENCIALES .................................................................. 6 ELECTRODOS SUPERFICIALES .................................................................................................. 7 ELECTRODOS INTERNOS .......................................................................................................... 9 MICROELECTRODOS.............................................................................................................. 10 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 11

1

ELECTRODOS DE BIOPOTENCIALES DESCRIPCION Para poder medir y registrar potenciales, y por tanto, corrientes en el cuerpo, es necesario proveer algún tipo de interface entre el cuerpo y los aparatos de medición electrónica. Los electrodos de biopotencial cumplen esta función de interface. En cualquier medición practica de potenciales, fluye corriente en los circuitos de medición por al menos una fracción del período de tiempo en el que la medición se realiza. Idealmente esta corriente debería ser muy pequeña, sin embargo, en situaciones prácticas, nunca es cero. Así los electrodos de biopotencial deben tener la capacidad de conducir una corriente a través de la interface entre el cuerpo y el circuito electrónico de medición.

El mecanismo de conductividad eléctrica en el cuerpo incluye iones y portadores de carga. Por lo que, obtener señales bioeléctricas involucra interacción con estos portadores de cargas iónicas y transductores de corrientes iónicas en corrientes eléctricas, requeridos por los cables y la instrumentación electrónica. Esta función de transducción es llevada a cabo por los electrodos que consisten en conductores eléctricos que se encuentran en contacto con soluciones iónicas acuosas del cuerpo. La interacción entre los electrones en los electrodos y los iones en el cuerpo pueden afectar en gran forma el rendimiento de los sensores y requerir consideraciones específicas en la aplicación respectiva.

CARACTERISTICAS ELECTRICAS POTENCIAL DE MEDIA CÉLULA Es necesario comenzar con la descripción electrodo-electrolito, ya que el paso de la corriente eléctrica desde el cuerpo hacia el electrodo puede ser entendido al examinar dicha interface, la cual se ilustra esquemáticamente con la siguiente figura:

2

El electrolito representa el fluido del cuerpo conteniendo iones. Una corriente neta que atraviesa el interface, pasando desde el electrodo hacia el electrolito, y que consiste de: 

Electrones moviéndose en dirección opuesta a la corriente en electrodo.



Cationes moviéndose en la misma dirección de la corriente.



Aniones moviéndose en dirección opuesta a la de la corriente del electrolito.

Para que las cargas crucen la interface (no hay electrones libres en el electrolito ni cationes o aniones en el electrodo) algo debe ocurrir en la interface que transfiera la carga entre los dos portadores. Lo que ocurre en la interface son reacciones químicas, las cuales pueden representarse en forma general así:

Donde n es la valencia de C y m es la de A. Aquí se asume que el electrodo está hecho de algunos átomos del mismo material como los cationes y que este material en la interface puede llegar a oxidarse para formar un catión y uno o más electrones libres. El catión es descargado en el electrolito y el electrón permanece como portador de carga en el electrodo.

CIRCUITO EQUIVALENTE La interacción del material in contacto con la solución iónica produce un cambio local en la concentración de los iones en la solución cerca de la superficie del material. Esto causa que la neutralidad de la carga no se mantenga en esta región, causando que en los alrededores del electrolito y del material se tenga un diferente potencial eléctrico del que se tiene en el resto de la solución. Por tanto, la diferencia de potencial conocida como Potencial de Media Célula es establecida entre el material y el volumen del electrolito. Estos potenciales de media célula pueden ser importantes cuando se usan los electrodos para baja frecuencia o para mediciones en DC.

3

TIPOS DE ELECTRODOS Existen 2 tipos de electrodos y sus principales características se mencionan a continuación.

PERFECTAMENTE POLARIZABLES En este tipo de electrodos no existe un intercambio de carga en la interface electrodoelectrolito cuando se aplica una corriente, en otras palabras el electrodo se comporta como un capacitor y por esta razón existirán pequeñas corrientes de dispersión.

PERFECTAMENTE NO POLARIZABLES En este caso existe un intercambio de cargas en la interfaz electrodo-electrolito cuando aplicamos una corriente, en estos no se requerirá energía para la transición de cargas por tanto no existirán sobre potenciales.

4

Lo anteriormente expuesto es teóricamente ya que en la realidad no vamos a encontrar los materiales para que un electrodo se comporte de manera teórica, entonces en la práctica se usan materiales que asemejen un comportamiento como el requerido en la teoría. Para los electrodos polarizables se usan materiales nobles tales como el platino, en cambio para los no polarizables se usa electrodos de plata-cloruro de plata.

COMPORTAMIENTO Y MODELO EQUIVALENTE El comportamiento de un electrodo depende de:     

El modelo. Las características al paso de corrientes a través del electrodo. Comportamiento para altas y bajas corrientes. Forma de onda. La frecuencia.

Todo esto es debido a que el modelo eléctrico de un electrodo es el siguiente:

Entonces nuestro modelo es un circuito paralelo de un capacitor (Cd) con una resistencia (Rd), estos valores son propios del electrodo en contacto con la piel, en serie con una resistencia Re, esta resistencia es la oposición al paso de corriente que representa el electrolito, por lo general para usar un electrodo no se lo coloca directamente sobre la piel, si no que se coloca un electrolito (gel o pasta) para mejorar la recepción de las señales entregadas por el cuerpo, esto se conoce como interface electrodo-piel. Para la interface electrodo-piel es importante tener en cuenta el estrato corneo, el estrato corneo es un efecto que se da en la parte más superficial de la epidermis, es donde se alojan las células muertas que están en continua descamación, una manera de evitar esto es empezar a masajear la parte donde se colocara el electrodo hasta que esa sección de piel se enrojezca, esto es para mejorar la estabilidad de nuestro electrodo. Pero al momento que realizamos una interface electrodo-piel debemos tomar en cuenta como nuestro modelo va a variar o que se va aumentar entonces esta interface será:

5

RECOMENDACIONES EN EL USO DE ELECTRODOS      

Cuando se emplean electrodos polarizables en contacto con un electrolito se forma una doble capa de cargas en la interface. Si se mueve el electrodo, se genera un desplazamiento de cargas que produce una variación del potencial de semicelda hasta que se restablece el equilibrio. Si se está midiendo una diferencia de potencial entre dos electrodos y uno se mueve aparece un ruido en la señal medida. El ruido se conoce como artefacto por movimiento y puede ser una interferencia seria en la medición de biopotenciales. El artefacto por movimiento es mínimo en los electrodos no polarizables. El artefacto por movimiento tiene una mayor influencia en bajas frecuencias.

TIPOS DE ELECTRODOS PARA BIOPOTENCIALES Para medir fenómenos bioeléctricos se pueden utilizar una amplia gama de electrodos, y casi todos se pueden clasificar en tres tipos básicos:  



Electrodos superficiales: Electrodos utilizados para medir potenciales ECG, EEG, y EMG en la superficie de la piel. Electrodos Internos: Electrodos utilizados para atravesar la piel para registrar potenciales EEG en una región local del cerebro o potenciales EMG en un grupo de músculos especifico Microelectrodos: Electrodos utilizados para medir potenciales bioeléctricos cerca o dentro de una célula.

Los tres tipos de electrodos para biopotenciales presentan una interface metal-electrolito. En el cual aparece un potencial proporcional al intercambio de iones entre el metal y los electrolitos del organismo. Dado que la medida de potenciales bioeléctricos requiere dos electrodos, la tensión medida es en realidad la diferencia entre los potenciales instantáneos de los dos electrodos. Si los dos electrodos son del mismo tipo la diferencia es por lo general pequeña y corresponde mayormente a la diferencia del potencial iónico entre los puntos medidos, sin embargo si los electrodos son de distinto tipo pueden producir una tensión continua debida a la diferencia en los potenciales del electrodo (tensión de offset) que podría dar lugar a

6

una corriente a través de ambos electrodos así como a través del amplificador que puede confundirse con un verdadero fenómeno fisiológico.

ELECTRODOS SUPERFICIALES Los electrodos de superficie son usados normalmente en ECG, los potenciales de EEG son registrados de manera rutinaria a partir de Discos de Superficie, o electrodos subdermicos “GRASS”. Ambos tipos de electrodos pueden ser usados incluso, para registrar potenciales de EMG. Los electrodos de superficie normalmente emplean un medio conductivo (gel electrolítica) y medio adhesivo (cintas de material adhesivo) para mantenerlas en su lugar. Un buen registro demanda baja impedancia del electrodo. Los electrodos de disco, cuando son aplicados expertamente, pueden tener impedancias tan bajas como 1000 Ω por par. Un electrodo con una impedancia mayor a los 10000 Ω no debe ser utilizado.

ELECTRODOS DE CORREA Para la adquisición de señales biomédicas de superficie se han diseñado una amplia variedad de electrodos. Quizás el electrodo más antiguo, utilizado clínicamente para la medición de ECG es la variedad de correa (strap on). Se trata de un conductor metálico en contacto con la piel y utiliza una pasta electrolítica para establecer y mantener el contacto, además de reducir la impedancia entre el electrodo y la piel. Este tipo de electrodos son muy usados para el registro de ECG, EMG y EEG.

FIGURA. ELECTRODOS DE CORREA (STRAP-ON) Estos electrodos presentan áreas entre 1 y 2 pulgadas cuadradas. Mediante correas de hule mantienen en su lugar las placas de latón. Se utiliza una pasta conductiva para facilitar la transmisión de la energía desde la piel hacia el electrodo.

ELECTRODOS DE COLUMNA Para registros más prolongados de ECG o para monitoreo, tal como el monitoreo continuo de un paciente hospitalizado en una unidad de cuidados intensivos, algunas veces se utiliza el electrodo de columna relleno de pasta conductiva.

7

Este electrodo consiste de un botón metálico de contacto hecho de plata-cloruro de plata en la parte alta de la columna, el cual se rellena con gel o pasta conductiva. Este electrodo se mantiene en su posición mediante un disco de hule espuma cuya superficie tiene una sustancia adhesiva. El uso del relleno de gel o pasta conductiva en la columna, lo cual mantiene al electrodo sin contacto directo con la superficie de la piel, reduce los artefactos de movimiento. Por esta razón (y algunas otras, como que son desechables y de bajo costo) estos electrodos son preferidos en el monitoreo de pacientes hospitalizados.

ELECTRODOS DE SUCCIÓN Se trata de electrodos metálicos cubierto por una goma flexible con la forma de una copa invertida. La parte metálica del electrodo queda separada de la piel mediante una esponja humedecida. La fijación a la piel de estos electrodos, se realiza a través de un sistema de aspiración que provoca vacío.

Las ventajas de la técnica por vacío es evidente: rapidez y simplicidad de sujeción, efectos complementarios por medio de la depresión variable que, por su acción parecida a un masaje, provoca un desplazamiento intenso de líquidos (sangre, linfático, intersticial) en las capas de la piel y del tejido conjuntivo. Una piel debidamente humedecida disminuye su resistencia y aumenta la conductividad eléctrica. Los impulsos rítmicos de la depresión, sirven para disimular la sensibilidad ante la corriente eléctrica, siendo esto una ventaja adicional en pacientes hipersensibles al paso de la corriente eléctrica. Los electrodos de ventosa tienen la ventaja de poder fijarse con bastante facilidad sobre cualquier zona corporal, esto permite al paciente ciertos cambios de postura sin que los electrodos pierdan su emplazamiento inicial y su contacto con la piel. A pesar de sus grandes ventajas, presenta el inconveniente en pieles muy sensibles, de poder producir pequeñas rotura de capilares y por consiguiente pequeños hematomas.

8

ELECTRODOS DE AGUJA Permiten registrar selectivamente la actividad de unas pocas unidades motoras o incluso de una sola de ellas, pudiendo realizarse un estudio preciso y exhaustivo del estatus neurológico. Aunque con estos dispositivos de aguja se obtienen registros de excelente calidad, tienen algunos inconvenientes, como la necesidad de gran experiencia técnica y que es una exploración dolorosa. Existen varios tipos de electrodos de aguja, siendo los concéntricos los más utilizados. Estos electrodos están montados dentro de una cánula que sirve como electrodo de referencia. Su mayor ventaja es que son lo suficientemente duros para atravesar fácilmente la piel perineal, y que no es precisa la inserción de un electrodo de referencia por separado.

Este tipo de electrodo de ECG se inserta en el tejido que se encuentra inmediatamente debajo de la piel, perforando la piel en un ángulo oblicuo (casi horizontal con respecto a la superficie de la piel). El electrodo de aguja se utiliza exclusivamente en casos de problemas graves en la piel (quemaduras, infecciones, etc), especialmente en pacientes anestesiados. Los electrodos de aguja son generalmente desechables y en los casos de reutilización se deben esterilizar con gas oxido etileno.

ELECTRODOS INTERNOS Los electrodos internos son insertados dentro del cuerpo humano. No se deberán confundir con los electrodos de aguja, los cuales están diseñados para insertarse dentro de las capas superficiales internas de la piel. El electrodo interno es típicamente un catéter aislado delgado y largo, con un contacto metálico expuesto al final

9

Para su aplicación, el electrodo es conducido a través de una vena del paciente (usualmente del brazo derecho) hacia el lado derecho del corazón para registrar las formas de onda ECG intracardiovasculares. Solo con los electrodos internos es posible registrar señales de muy baja amplitud y alta frecuencia, como las presentes en el Haz de His.

MICROELECTRODOS El microelectrodo es un dispositivo ultra fino que se usa para la medición de biopotenciales a nivel celular

Un microelectrodo es capaz de ser insertado en la pared de una sola célula sin causar daños. Los microelectrodos tienen un número de usos y aplicaciones. Hay diferentes variaciones que han sido diseñados en entornos de laboratorio en todo el mundo. En la práctica, el microelectrodo penetra a la célula que está inmersa en un fluido (solución fisiológica salina), la cual está conectada al electrodo de referencia. Existen muchos tipos de microelectrodos, la mayoría de ellos presentan una de 2 formas básicas: vidrio-metal o lleno de fluido. En ambos casos, una superficie de contacto expuesta de alrededor de 1 a 2 μm (1 μm = 1 x 10 um) está en contacto con la célula. Como pudiera esperarse, esto hace que el microelectrodo sea un dispositivo de muy alta impedancia. Los electrodos son dispositivos diseñados para llevar corriente eléctrica. En el caso de un microelectrodo, el dispositivo está hecho de vidrio lleno de una solución conductora. Es también posible insertar un pequeño hilo de plata para aplicaciones donde se necesita un contacto hecho de metal.

10

BIBLIOGRAFIA 

WEB: http://www.fis.uc.pt/data/20062007/apontamentos/apnt_134_5.pdf



WEB: http://www.unc.edu/~finley/BME422/Webster/c05.pdf



WEB: http://www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/biomedicangenieria/bioinstrumentacion/2014/i/guia-7.pdf



WEB: http://ocwus.us.es/fisioterapia/electroterapia/temario/TEMA_3/page_11.htm



WEB: http://www.electronica-basica.com/microelectrodos.html

11