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Sensores y Transductores Biomédicos Unidad 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 noinvasivos (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 eléctrico Los 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