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Cuaderno de Prácticas UNIDAD DE APRENDIZAJE

BIOINSTRUMENTACIÓN I

Elaboró: Lucía Moncada Pazos 0

CONTENIDO

Pág. 3 5 6 7

Introducción Cronograma con fechas de entrega Formato recomendado para reporte Practica 1 Modelo electrónico que representa una célula

11

Practica 2 Identificación de ruido .Diseño de filtros pasa bajas y pasa altas para medir biopotenciales

14

Practica 3 Diseño de dispositivo que eliminen el ruido eléctrico por medio de filtros pasa banda y rechaza banda para medir biopotenciales

17

Practica 4 Diseño de un amplificador de instrumentación con ganancia acorde a las biopotencial requerido.

21

Practica 5 Diseño de dispositivo que minimicé riesgos de seguridad eléctrica

24

Practica 6 Uso de electrodos y diseños de las practicas 2,3,4 y 5

29

Practica 7 Medición de corriente de fuga

33

Practica 8 Diseño de dispositivos que acondicionen la señal para poder ser desplegada.

36

Proyecto Diseño de prototipo de instrumento que mida un biopotencial, acoplar todos los diseños de las practicas 2,3,4,5,6 y 8

Anexos

Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

38

1 Elaboró: Lucía Moncada

Introducción Un biopotencial es considerado actualmente como un potencial iónico. Este se produce del resultado de la actividad electroquímica en ciertas células del cuerpo humano.

Son ejemplos de biopotenciales las señales de Electrocardiógrafo (ECG), Electromiógrafo (EMG), Electroencefalógrafo (EEG), Electrooculagrafo (EOG), entre otros.

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2 Elaboró: Lucía Moncada

Los biopotenciales o potenciales iónicos del cuerpo humano pueden convertirse a través de transductores en señales eléctricas.Las señales eléctricas pueden ser medidas o registradas mediante instrumentos diseñados según las características de los diversos potenciales iónicos mostrando resultados significativos que ayudan al médico en su diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades. Para registrar y desplegar un biopotencial es necesaria que esta señal sea amplificada, filtrada, procesada y tener un circuito de aislamiento para el paciente.

En la unidad de aprendizaje de Bioinstrumentación I, se integran diversos conocimientos adquiridos con los cuales los alumnos comprenden como se construye, implementa y diseña de forma básica un prototipo que pueda registrar un biopotencial En el laboratorio de Bioinstrumentación I, se contemplan 8 prácticas y un proyecto. Estas prácticas están diseñadas para ir haciendo un dispositivo para el diseño, construcción, registro y despliegue de un biopotencial (ECG, EMG, EOG, etc.) a su elección del alumno en protoboard y el proyecto es que ese dispositivo realizado en un protoboard se pase a una tarjeta electrónica con interface a una laptop, verificando el funcionamiento del prototipo con instrumentos electrónicos usados en el laboratorio de Bioinstrumentación y la conexión directa mediante electrodos al cuerpo del alumno.

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3 Elaboró: Lucía Moncada

Sn: Indica el número de semana en el semestre X: Indica en que semana se entrega (fechas de entrega) las prácticas y proyecto. Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

4 Elaboró: Lucía Moncada

Formato recomendado para entrega de reporte y criterios de evaluación  Práctica  Reporte 40% (hecho a mano, en un cuaderno solo para la unidad de aprendizaje) debe incluir: • Portada por práctica (No de práctica y Nombre, grupo, UA, profesor, fecha, alumno) • Objetivo (- 0.5 si no se incluye) • Fundamento Teórico breve en forma concisa no pasar de 3 paginas (1.0) • Memoria de cálculo (3.0) (incluye diagrama de su diseño, cálculos necesarios) • Desarrollo incluye la metodología que puede ser ejemplificada en un diagrama a bloques (1.0) • Resultados debidamente acotados y sacar % de error en relación a la memoria de cálculo(1.0) • Análisis de resultados (2.0) • Conclusión Individual (basados en resultados y análisis de resultado, % de error)(2.0) Referencias (-0.5 si no se incluye)  Funcionamiento 40%  Evaluación oral 20%  Proyecto Reporte (formato de la práctica) Prototipo en Placa Interface laptop  La aprobación del laboratorio es requisito indispensable para la acreditación de la unidad de aprendizaje

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5 Elaboró: Lucía Moncada

Práctica 1 Título: Modelo electrónico que representa una célula. Objetivo: Integrar conocimientos previos, diseñar e implementar un modelo electrónico que represente el comportamiento eléctrico de una célula.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 1 Antecedentes Teóricos Actividad eléctrica de la célula A la facultad de controlar el paso de los iones que presenta la membrana celular tiene como consecuencia propiedades eléctricas en las células

Así se da origen tanto al potencial de reposo como a la actividad eléctrica en forma de potenciales potsinápticos o potenciales de acción. Las células se dividen desde el punto de vista eléctrico en excitables y no excitables. El tejido que es capaz de generar potencial de acción es el tejido nervioso, muscular liso, muscular cardiaco y muscular esquelético.

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6 Elaboró: Lucía Moncada

Propiedades pasivas: Al inyectar corriente despolarizante a una célula el cambio en el potencial es proporcional a la del pulso de la corriente (I), tanto en magnitud como en polaridad

Etapas de un potencial de acción en relación con la apertura de los canales iónicos • • • • •

•

La célula se encuentra con un potencial en reposo V. Al estimular la célula cumple con la propiedades pasivas La magnitud de la despolarización alcanza un valor umbral en las células excitables La gran permeabilidad de Na+ provoca que el potencial de membrana se aproxime al potencial de equilibrio de Na+. Potencial de acción se dispara, la causa es la activación de los canales Na+, la corriente Ina ocasiona una despolarización mayor en el potencial de membrana que a su vez activa una mayor cantidad de canales Na+, aumentando la corriente Ina. Los canales de K+ se activan más lentamente que los Na+ la corriente Ik es saliente debido a su gradiente electroquímico

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7 Elaboró: Lucía Moncada

•

•

K+ es mayor en el interior de la célula con respecto a su concentración extracelular lo cual favorece a su salida, la Ik produce la repolarización retornando al potencial de la membrana al valor de reposo. Pospotencial negativo se produce por los canales del rectificador tardío que aún se encuentran abiertos una vez concluida la repolarización.

Hay diversas representaciones del modelo eléctrico de una célula, este se puede implementar por medio de un pic, conexión de varios AO´s e incluso con un simple circuito RC, lo importante es que dicha representación cumpla en amplitud, forma y tiempo.

Metodología 1) Investigar el tipo de célula que se quiere modelar. 2) Investigar el modelo eléctrico de ese tipo de célula. 3) Diseñar y adecuar el modelo eléctrico de acuerdo a sus características eléctricas (tiempo, forma y amplitud), realizar la memoria de cálculo. 4) Armar su diseño en la tabilla de experimentación (protoboard) y probar su diseño. Demuestre que su diseño funciona 5) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error.

Recomendaciones para la implementación El diseño es libre, siempre y cuando la representación e implementación cumpla con las características eléctricas de amplitud (mV) y tiempo (ms) y la forma del modelo. Ejemplo: representación de las propiedades pasivas de un potencial de acción, la amplitud requerida puede tener un rango de -70 a 100 mv, su respuesta puede ser de unos pocos ms y la forma se parece a la carga y descarga de un circuito RC, y debe ser positiva o negativa su representación en diferencia de potencial según él pulso.

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8 Elaboró: Lucía Moncada

Cuestionario: Responda con sus palabras y en forma concisa 1. Explique las características eléctricas de la representación del modelo elegido 2. Mencione las dificultades para implementación del modelo eléctrico y ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica?

3. Investigue 3 posibles modelos electrónicos y represéntelos gráficamente debidamente acotados.

Referencias: Cromwell, Leslie. Biomedical Instrumentation And Measurement. Editorial Prentice Hall. 2006. págs. 231-337. Castellanos, Pilar. Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros. Libros de texto UAM. México 2004. págs. 15-60,105-218.

http://campuscitep.rec.uba.ar

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9 Elaboró: Lucía Moncada

Práctica 2 Título: Identificación de ruido .Diseño de filtros pasa bajas y pasa altas para medir biopotenciales

Objetivo: Identificar las fuentes de ruido, el ancho de banda que puede tener un Biopotencial y diseñar filtros pasa bajas y pasa altas que minimicen las interferencias eléctricas para un biopotencial de su elección.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 1 Antecedentes Teóricos Problemática de la captación de las señales bioeléctricas o biopotenciales El principal problema de la captación de las señales bioeléctricas proviene de los valores de amplitud y frecuencia de las mismas. Dichas amplitudes son pequeñas y a menudo se encuentran contaminadas de ruido que incluso puede ser superior al valor de la propia señal. A partir de estas señales se establecen las especificaciones del amplificador necesario para recuperar las mismas, así como las características del equipo de medida y las relacionadas con el ancho de banda de la señal de entrada. Características generales de las señales bioeléctricas. Los potenciales bioeléctricos del cuerpo humano o de cualquier animal raramente son determinísticos. Sus magnitudes varían con el tiempo, incluso cuando todos los factores que las originan están controlados. Los valores de la misma medida pueden variar enormemente entre diferentes individuos aunque estos estén sanos y las condiciones de medición sean las mismas. Esto quiere decir que los valores pueden ser muy diferentes para diferentes personas aunque sean valores normales en ellos. A continuación se comentan algunos de los valores típicos para diferentes señales Bioeléctricas o biopotenciales: SEÑAL ECG (electrocardiograma) EEG (electroencefalograma) EGG (electrogastrograma) EMG (electromiograma) EOG (electrooculograma) ERG (electroretinograma)

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MAGNITUD ANCHO DE BANDA (Hz) 0'5 - 4 0'01 - 250 DC - 150 5 - 300 DC - 1 10 - 1000 0.1 - 5 DC – 10,000 DC - 50 50 - 3500 DC - 50 0 - 900 10 Elaboró: Lucía Moncada

Filtros Un filtro es un dispositivo que tiene como función atenuar frecuencias de un espectro. ¿Qué atenúa? señales de entrada del espectro. ¿Cuáles? Determinadas frecuencias (de nuestro interés o las que no deseamos). Además permite el paso de las señales de nuestro interés a la salida.

Filtro pasa bajas

Filtro pasa altas

Filtro Pasa Bajo PB. Solo permite el paso de las frecuencias inferiores a una Fc llamada frecuencia de corte. Las frecuencias superiores se atenúan Filtro Pasa Alto PA. Deja pasar las frecuencias superiores a una Fc. Las frecuencias inferiores se atenúan. Curva de respuesta de un filtro real, se divide en varias bandas

Filtros Activos. Constan de elementos pasivos y activos (los que requieren alimentación). La alta impedancia de entrada y la baja impedancia de salida de los AOP’s entre otras cualidades permiten filtros óptimos. Además de facilitar el diseño de filtros complejos mediante la asociación de etapas simples.

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11 Elaboró: Lucía Moncada

Metodología 1) Investigar el tipo de filtro pasa bajas y pasa altas (el ancho de banda) adecuado para un biopotencial de su elección. 2) Investigar el modelo electrónico de un filtro pasa bajas activo y pasa altas activo 3) Diseñar y adecuar el modelo electrónico de acuerdo a sus características, los filtros deberán presentar como máximo una tolerancia ±5%, realizar la memoria de cálculo. 4) Armar su diseño en la tabilla de experimentación (protoboard) y probar su diseño 5) Demostrar que su diseño funciona. Realizar el barrido y graficar con 20 valores como mínimo en cada filtro 6) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error.

Recomendaciones para la implementación El diseño es libre, siempre y cuando la implementación cumpla con las características electrónicas de ancho de banda y tolerancia. Ejemplo: Si se elige un biopotencial como el ECG, su ancho de banda es 0.5 -250 Hz, se diseñara entonces un filtro pasa altas con frecuencia de corte de 0.5 Hz, para este caso la fc mínima es de 1Hz (por los equipos, no todos dan del orden mHz). Para él filtro pasa bajas con frecuencia de corte de 250 Hz , cuya tolerancia será de ±12.5 Hz, es decir su Fc puede estar entre 237.5-262.5 hz

Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. Investigue los tipos de filtros en función de la frecuencia, por la tecnología empleada y por su función matemática 2. Mencione las dificultades para la implementación del sus filtros ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. Investigue 2 modelos posibles para su diseño de filtros activos,

Referencias: http://www.virtual.unal.edu.co Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs. Castellanos Pilar, Godínez Rafael, Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros, UAM Libros de texto 1997. Coughlin Robert F., Amplificadores Operacionales y circuitos integrales lineales. Pearson Prentice Hall. Quinta edición. Impreso en México.1999

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12 Elaboró: Lucía Moncada

Práctica 3 Título: Diseño de dispositivo que elimine el ruido eléctrico por medio de filtros pasa banda y rechaza banda para medir biopotenciales

Objetivo: Identificar las fuentes de ruido, el ancho de banda que puede tener un Biopotencial y diseñar filtros pasa banda y rechaza banda que minimice las interferencias eléctricas (ruido) para un biopotencial a su elección.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 1 Antecedentes Teóricos Características generales de las señales bioeléctricas. A continuación se comentan algunos de los valores típicos para diferentes señales Bioeléctricas o biopotenciales: SEÑAL ECG (electrocardiograma) EEG (electroencefalograma) EGG (electrogastrograma) EMG (electromiograma) EOG (electrooculograma) ERG (electroretinograma)

MAGNITUD 0'5 - 4 mV 5 - 300 µV 10 - 1000 µV 0.1 - 5 mV 50 - 3500 µV 0 - 900 µ V

ANCHO DE BANDA (Hz) 0'01 - 250 DC - 150 DC - 1 DC – 10,000 DC - 50 DC - 50

Las principales fuentes de ruido que actúan sobre el registro de cualquier potencial bioeléctrico. Una posible clasificación de interferencias puede ser: • Interferencias externas al equipo de medida: o Capacitivas:  Acoplamiento capacitivo con el paciente.  Acoplamiento capacitivo con los conductores y el equipo • Inductivas • Originadas por la interfaz electrodo-electrolito-piel. • Debidas a otros potenciales bioeléctricos. • Debidas a otros sistemas fisiológicos • Debidas a cargas electrostáticas.

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13 Elaboró: Lucía Moncada

Filtros Un filtro es un dispositivo que tiene como función atenuar frecuencias de un espectro. ¿Qué atenúa? señales de entrada del espectro. ¿Cuáles? Determinadas frecuencias (de nuestro interés o las que no deseamos). Además permite el paso de las señales de nuestro interés a la salida.

Filtro pasa banda

Filtro rechaza banda

Filtro Pasa Banda PF. Permite el paso de las frecuencias situadas dentro de una banda delimitada por una frecuencia de corte inferior y otra superior. Se atenúan las frecuencias fuera de la banda. Filtro Rechaza Banda RF. Permite el paso de las frecuencias con referencia a las frecuencias de corte inferior y corte superior. Se atenúan las frecuencias dentro de la banda.

Factor de calidad = Q Donde 𝑸 =

𝒇𝒐 𝑩

siendo fo la frecuencia central, B el ancho de banda

Clasificación práctica de Filtros Activos por estructura MFB múltiple feed back, su estructura es de retroalimentación múltiple, se caracteriza por tener ganancia invertida, es decir que su señal se desfasa 180°. VCVS Voltage controlled voltage source, su estructura es de fuente de tensión también llamados filtros Salley-Key

Metodología 1) Investigar el tipo de filtro pasa banda y rechaza banda (el ancho de banda adecuado) para un biopotencial de su elección. 2) Investigar el modelo electrónico de un pasa banda activo y rechaza banda activo 3) Diseñar y adecuar el modelo electrónico de acuerdo a sus características, el filtro pasa banda deberán presentar como máximo una tolerancia ±5%, el Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

14 Elaboró: Lucía Moncada

filtro rechaza banda será con fo de 60hz, con un Q= 6, realizar la memoria de cálculo. 4) Armar su diseño en la tabilla de experimentación (protoboard) y probar su diseño 5) Demostrar que su diseño funciona. Realizar el barrido y graficar con 20 valores como mínimo en cada filtro. 6) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error.

Recomendaciones para la implementación El diseño es libre, siempre y cuando la representación e implementación cumpla con las características electrónicas de ancho de banda y tolerancia Ejemplo: Si se elige un biopotencial como el ECG, su ancho de banda es 0.5 -250 Hz, se diseñara entonces un filtro pasa banda con frecuencia de corte de 0.5 Hz, a 250 Hz cubriendo el rango fetal, para este caso la fc1 mínima es de 1Hz y fc2 puede estar entre 237.5-262.5 Hz, cumpliendo la tolerancia de ±5%. Para él filtro rechaza banda la frecuencia central será de 60 Hz, y ancho de banda 10 Hz (55hz-65hz), por lo tanto el factor Q será de 6.

Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. Investigue los tipos de filtros activos por su estructura (MFB y Salley Key) 2. Mencione las dificultades para la implementación del sus filtros ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. Investigue 2 modelos posibles para su diseño de filtros activos.

Referencias: http://www.virtual.unal.edu.co Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs. Castellanos Pilar, Godínez Rafael, Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros, UAM Libros de texto 1997. Coughlin Robert F., Amplificadores Operacionales y circuitos integrales lineales. Pearson Prentice Hall. Quinta edición. Impreso en México.1999

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Práctica 4 Título: Diseño de un amplificador de instrumentación con ganancia acorde a las biopotencial requerido.

Objetivo: Diseñar un amplificador de instrumentación que tenga la ganancia necesaria para amplificar un biopotencial elegido en las prácticas anteriores., y un CMRR adecuado.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 2 Antecedentes Teóricos Amplificadores de instrumentación. Características y configuración básica. Un amplificador de instrumentación es un circuito con entrada diferencial cuya función principal es amplificar con precisión las señales de muy bajo nivel aplicadas a su entrada, eliminando además las posibles señales interferentes y de ruido que lleguen en modo común. Para esto tiene que tener las siguientes características: · Ganancia diferencial en lazo cerrado estable, que pueda ajustarse externamente sin modificar sensiblemente sus características de entrada. · Rechazo al modo común (CMRR) alto, tanto en continua como a las frecuencias a las que pueda aparecer ruido en modo común a la entrada. · Impedancia de entrada elevada. · Tensión y corriente de offset bajas y con pocas derivas. · Impedancia de salida baja. · Tensiones de entrada en modo común altas. Comercialmente se dispone tanto de circuitos integrados monolíticos como de circuitos integrados híbridos y circuitos modulares que cumplen estas condiciones. Para el caso de estos dos últimos, todos los modelos tienen una estructura que deriva de una básica llamada amplificador de instrumentación con tres AOP’s. El estudio de este circuito es de gran interés por cuanto se puede realizar empleando componentes discretos, incluso de bajo coste, obteniéndose a veces prestaciones suficientes para muchas aplicaciones, con un coste económico inferior al de los montajes comerciales integrados. En el circuito de la figura puede considerarse como el esquema clásico para la realización de un amplificador de instrumentación, donde se ha colocado el circuito equivalente de la fuente de señal.

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16 Elaboró: Lucía Moncada

Amplificador de instrumentación. Configuración de tres AO's

El circuito está formado por una primera etapa con salida y entrada diferencial con alta impedancia, que amplifica únicamente la tensión diferencial de entrada; la segunda etapa es un amplificador diferencial con salida unipolar y ganancia en modo común nula idealmente. Suponiendo AO’s ideales:

I=

V1−V2 Rg

entonces VA − VB =

R1+R2+Rg Rg

∗ (V1 − V2) =

R1+R2+Rg Rg

∗ Vd

como la segunda etapa es un diferencial, si suponemos que está equilibrado entonces (R3*R6=R4*R5), resulta la siguiente expresión de la tensión de salida. Vo =

R6 R1 + R2 + Rg ∗ ∗ Vd R5 Rg

que bajo el supuesto R1=R2, resulta:

En la segunda etapa vemos: VA = R1 ∗ 𝐈 + Vcm −

entonces

Vo = Vd 2

;

R6 2R1 ∗ �1 + � ∗ Vd R5 Rg VB = −R2 ∗ 𝐈 + Vcm +

Vd 2

;

𝐈=−

Vd Rg

VA + VB R2 − R1 = Vcm + ∗ Vd 2 2Rg

Donde se observa que la tensión en modo común vista por la segunda etapa es igual a la que hay en la entrada más un término que depende de la tensión

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17 Elaboró: Lucía Moncada

diferencial, que va a producir una variación del modo común en función de esta tensión de entrada. Para eliminar el término de Vd debemos conseguir que se cumpla la igualdad R1=R2, condición que es normal aplicar en el diseño de cualquier amplificador de instrumentación. De este análisis podemos sacar las siguientes conclusiones: 1. La ganancia al modo común de la primera etapa es la unidad, siendo sus funciones: · Amplificar la tensión diferencial. · Proporcionar un ajuste cómodo de la ganancia mediante Rg. · Presentar una elevada impedancia de entrada. 2. El CMRR total depende del que presente la etapa diferencial de salida, y de la ganancia diferencial de la primera etapa, si suponemos R1=R2: Rechazo de Modo Común en Amplificadores de Instrumentación Hay equipos en la industria, en la electromedicina, y en muchas otras aplicaciones, en las cuales tienen la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de µV o mV , sabemos que las señales de ruido provenientes de distintas fuentes, estás son comparativamente grandes, como son los motores, los tubos de iluminación de descarga gaseosa, así como las interferencias Inductivas, las originadas por la interfaz electrodo-electrolito-piel, las debidas a otros potenciales bioeléctricos y por otros sistemas fisiológicos y la siempre presente inducción de la frecuencia de línea de alimentación, en nuestro caso de 60Hz. Para realizar las mencionadas mediciones estos deberán utilizar en su entrada amplificadores de Instrumentación con un adecuada relación rechazo de modo común (CMRR). En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida. Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentación, se especifica la llamada Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) que matemáticamente se expresa como:

𝑪𝑴𝑹𝑹(𝒅𝑩) = 𝟐𝟎𝒍𝒐𝒈

(𝑨𝒅) (𝑨𝒄𝒎)

Siendo Ad : Ganancia diferencial Acm : Ganancia a modo común Vd voltaje de entrada diferencial; Vo = Voltaje de salida Vcm= Voltaje de modo común en la entrada ; Ad = Vo/ Vd diferencial ; Acm = Vo / Vcm

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18 Elaboró: Lucía Moncada

Metodología 1) Diseñar un amplificador de instrumentación configuración a tres AO´s con ganancia > 900, o con ganancia necesaria para adquirir un biopotencial a su elección y congruente con lo diseñado a sus anteriores prácticas. El CMRR del amplificador de instrumentación deberá ser ≥ a 90dB. Realizar su memoria de cálculo. 2) Armar su diseño en la tabilla de experimentación (protoboard) y probar su diseño 3) Demostrar que su diseño funciona. 4) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error.

Recomendaciones para la implementación Adecuar su señal dependiendo el generador que use, si su señal mínima del generador es ≥ 20 mv, se hará un divisor de voltaje. Para obtener CMRR y medir la ganancia a modo común se recomienda usar señales > a mV, es decir de unos cuantos volts y conectar una resistencia variable en la R4 para ajustar el CMRR.

Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. Investigue 2 modelos posibles para su diseño de amplificador de instrumentación de instrumentación con 3 AO´S 2. Mencione las dificultades para la implementación de su diseño ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. ¿Por qué es importante tener un CMRR > 100 dB?

Referencias: http://www.virtual.unal.edu.co Coughlin Robert F., Amplificadores Operacionales y circuitos integrales lineales. Pearson Prentice Hall. Quinta edición. Impreso en México.1999 Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs. Castellanos Pilar, Godínez Rafael, Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros, UAM Libros de texto 1997.

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19 Elaboró: Lucía Moncada

Practica 5 Título: Diseño de dispositivo que minimicé riesgos de seguridad eléctrica Objetivo: Implementar un circuito de aislamiento eléctrico que atenué los riesgos de una corriente de fuga para un sistema de registro de un biopotencial.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 2 Antecedentes Teóricos Diagrama de bloques de un bioamplificador Cualquier sistema de acondicionamiento de biopotenciales se va a ajustar a un mismo diagrama de bloques, como el mostrado en la figura. Este diagrama comienza en los electrodos, los cuales transforman las corrientes iónicas del cuerpo en corrientes eléctricas. A continuación se encuentra un preamplificador, con alto rechazo al modo común y alta impedancia de entrada. Seguidamente aparece un amplificador de aislamiento, con el fin de que no exista conexión eléctrica entre el paciente y la instalación eléctrica. Después se realiza un filtrado analógico de la banda de frecuencias de interés y puede que exista una última etapa de amplificación, que puede estar incorporada también en la etapa de filtrado. Además es necesario un sistema de alimentación que tenga dos fuentes aisladas eléctricamente, una para cada lado de la barrera de aislamiento de manera que el paciente mantenga el aislamiento con la instalación eléctrica.

El amplificador de aislamiento El sistema que mejor minimiza los riesgos de corrientes de fuga en un biopotenciales es el aislado. Un amplificador aislado está compuesto por dos Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

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subsistemas que están aislados galvánicamente entre sí. El mecanismo de acoplamiento que transfiere la señal del subsistema de entrada al de salida puede ser magnético, capacitivo u óptico. La etapa de entrada tiene su alimentación y referencia aisladas de la alimentación y referencia de la etapa de salida. Esto se consigue a partir de una fuente de alimentación única con un convertidor CC a CC, o utilizando dos fuentes de alimentación, como es lógico en este caso serán baterías las que alimenten al primer subsistema.

Amplificadores aislados por acoplamiento óptico Un sistema de aislamiento óptico está constituido por un emisor, por ejemplo un LED, y un receptor, por ejemplo un fotodiodo o un fototransistor. El conjunto de ambos permite aislar galvánicamente dos partes de un conjunto y debe, al mismo tiempo, transmitir la señal entre ambas con la menor distorsión posible. En este tipo de aislamiento la señal que se introduce en el circuito emisor puede ser la señal original en banda base, o bien una señal modulada, generalmente en ancho de pulso, por la primera. En ambas situaciones se tienen ventajas e inconvenientes. Si la señal que se transmite está en banda base, se evita la necesidad de la modulación, resultando un sistema muy simple. El problema es la poca linealidad de los dispositivos ópticos, lo que hace necesario disponer de circuitos de emisión y recepción perfectamente acoplados y emparejados.

Amplificadores aislados mediante acoplo por transformador En este caso, cuando la etapa de entrada y la de salida se acoplan con un transformador, es necesario modular la señal (FM, AM, PWM, etc.). Esto es así Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

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porque el primario de un transformador, una bobina conectada entre la señal de entra y masa, se comporta como un filtro paso alto que atenúa y distorsiona las muy bajas frecuencias de la mayoría de los biopotenciales. Un sistema de este tipo estará compuesto por una etapa moduladora, un transformador que se encargará de realizar el aislamiento galvánico entre la entrada y la salida y la etapa demoduladora para recuperar la señal.

Metodología 1) Implementar un circuito de aislamiento para atenuar el riesgo de una corriente de fuga para un sistema de registro de un biopotencial. 2) Armar su diseño en la tabilla de experimentación (protoboard) y probar su diseño 3) Demostrar que su diseño funciona. 4) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error en relación a su entrada y salida del circuito de aislamiento

Recomendaciones para la implementación El diseño es libre, se podrá usar un circuito integrado como es el ISO124P que es un amplificador de aislamiento, también se podrá usar un acoplo por transformador o por optoacople. Siempre y cuando la señal de entrada que emule al paciente sea la misma que a la salida, esto se puede realizar con una señal de dc (pila) como entrada, y la salida tendrá que conservar el mismo nivel de dc.

Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. Investigue 2 modelos para la implementación de un circuito de aislamiento eléctrico 2. Mencione las dificultades para la implementación de su diseño ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. ¿Por qué es importante el aislamiento eléctrico en un sistema de registro para un biopotencial?

Referencias: http://www.virtual.unal.edu.co Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Giley. 2000.980 págs. Castellanos, Pilar. Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros. Libros de texto UAM. México 2004. págs. 15-60,105-218. Del Águila, Carlos. Electromedicina. Editorial Hasa y Nueva Librería. Colombia 2002. 538 págs. Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

22 Elaboró: Lucía Moncada

Practica 6 Título: Uso de electrodos y diseños de las prácticas 2, 3, 4 y 5. Objetivo: Integrar y acoplar los diseños de las practicas 2, 3, 4, 5 (amplificador de instrumentación, filtros y circuito de aislamiento eléctrico) conectando electrodos al cuerpo para visualizar su señal con él osciloscopio.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 2 Antecedentes Teóricos La forma más común de registrar biopotenciales es el efecto de asociado a un gran número de potenciales de acción cuando aparecen en la superficie del cuerpo, está señal de origen iónico se convierte a una eléctrica mediante el uso de electrodos. Para este registro se utilizan instrumentos tales como ECG,EEG y EMG. Esta práctica hará uso de los diseños del amplificador de instrumentación, filtrado y circuito de aislamiento eléctrico realizadas en las practicas pasadas según el diagrama de bloques de un sistema de captación de biopotenciales.

Adaptación de impedancias. En electrónica adaptar o emparejar las impedancias, consiste en hacer que la impedancia de salida de un origen de señal, como puede ser una fuente de alimentación o un amplificador, sea igual a la impedancia de entrada de la carga a la cual se conecta. Esto con el fin de conseguir la máxima transferencia de potencia y aminorar las pérdidas de potencia

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23 Elaboró: Lucía Moncada

por reflexiones desde la carga. Este sólo aplica cuando ambos dispositivos son lineales. El seguidor de tensión. Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unitaria

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que la salida es una réplica en fase con ganancia unitaria de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es también infinita. Entonces él circuito se usa como "buffer" es decir que sirve para acoplar impedancias. Electrodos Para registrar biopotenciales se necesita un elemento que realice la interfaz entre el cuerpo y el equipo de medida, este elemento es él electrodo. Dado que los electrodos son una interface debemos tener en cuenta que por ellos circulara una corriente (pequeña). Los electrodos forman una interfaz de transducción entre una corriente iónica generada por los seres vivos y la convierten a una señal eléctrica conducida a la instrumentación electrónica

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24 Elaboró: Lucía Moncada

Clasificación de electrodos para biopotenciales •

Macroeléctrodos o electrodos superficiales

•

Electrodos internos. Transcutáneos y percutáneos

•

Microeléctrodos

Derivaciones para medir ECG

Las disposiciones específicas de los electrodos, se conocen como derivaciones y en la práctica clínica se utilizan un número de doce estándares, clasificadas de la siguiente forma: Derivaciones Bipolares Estándar Estas derivaciones (DI, DII, DIII) son las que originalmente eligió Einthoven para registrar los potenciales eléctricos en el plano frontal. Los electrodos son aplicados en los brazos derecho e izquierdo y en la pierna izquierda. Se coloca un electrodo en la pierna derecha que sirve como polo a tierra. Las derivaciones bipolares, registran las diferencias de potencial eléctrico entre los dos electrodos seleccionados:

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Metodología 1) Acoplar cada uno de los diseños de las prácticas del amplificador de instrumentación, filtros y circuito de aislamiento eléctrico

2) Probar su diseño etapa por etapa siguiendo su señal y acoplando impedancias 3) Investigar la apropiada conexión de los electrodos. 4) Conectarse los electrodos siempre cuando funcione su circuito de aislamiento, esto es para evitar corrientes de fuga que puedan dañar su cuerpo. 5) Demostrar que su diseño funciona e incorporar los circuitos de acople a su reporte. 6) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error.

Recomendaciones para la implementación Usar pilar para la alimentación del amplificador de aislamiento, junto con un CC a CC para conectarse los electrodos y el amplificador de instrumentación que va conectado al paciente, hacer uso de las fuentes de alimentación para alimentar a los filtros. Hacer uso de latiguillos para electrodos desechables Usar electrodos desechables, en el área de colocación afeitada y limpia

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Queda a su consideración la conexión del tercer electrodo. Para disminuir interferencias magnéticas enredar los latiguillos como se muestra.

Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. ¿Que tuvo que hacer para acoplar todas las partes de su prototipo? 2. Mencione las dificultades para la implementación de su diseño ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. ¿Por qué es importante enredar los latiguillos en un sistema de registro para un biopotencial?

Referencias: http://www.virtual.unal.edu.co Cromwell, Leslie. Biomedical Instrumentation And Measurement. Editorial Prentice Hall. 2006. págs. 231-337. Castellanos, Pilar. Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros. Libros de texto UAM. México 2004. págs. 15-60,105-218. Del Águila, Carlos. Electromedicina. Editorial Hasa y Nueva Librería. Colombia 2002. 538 págs. Cadena, Miguel. Fundamentos de la instrumentación biomédica. Libros de texto UAM. México 2001. 256 págs. Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs.

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Practica 7 Título: Medición de la corriente de fuga Objetivo: Medir la corriente de fuga al prototipo de la practica 6 Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 1 Antecedentes Teóricos Macroshock y Microshock Riesgos Eléctricos.- Encontramos riesgos eléctricos en los equipos médicos que pueden entrar en contacto con los pacientes. El riesgo potencial depende de si el equipo establece o no una conexión a partes internas del cuerpo humano. Los efectos de estos choques pueden ir desde la percepción de la descarga hasta fibrilación ventricular y la muerte. Existen varias medidas de seguridad establecidas para evitar estos riesgos entre las que se encuentran una adecuada instalación de tierra física, y la incorporación de un contacto a tierra en los equipos electrónicos. El propósito de estos dispositivos es el de establecer un camino a tierra el cual evite que las corrientes denominadas de fuga pasen a través del paciente. Efectos de los puntos de entrada en la distribución de la corriente por el cuerpo.

Cuando la corriente se aplica entre dos puntos cualesquiera del cuerpo humano, sólo un pequeño porcentaje de la energía o corriente total a través del corazón como se observa en la Figura. De esta forma, pueden darse básicamente dos tipos de situaciones: el macroshock y el microshock. El macroshock está relacionado con la circulación de corriente en la superficie corporal caso (a). El microshock se refiere a aquellos casos en los que al tener un catéter conectado al Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

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corazón, una pequeña corriente puede ocasionar grandes daños al paciente e incluso la muerte caso (b). Diversos experimentos muestran que el rango de corrientes que producen fibrilación en casos de microshock es de 80 a 600 µA. El límite de seguridad ampliamente aceptado para prevenir microshocks es de 10 µA. Corriente de fuga. Aunque se disponga de un buen aislamiento pueden producirse derivas de corrientes denominadas corrientes de fuga que aunque en un principio su magnitud puede considerarse ridícula pueden ocasionar graves riesgos al paciente como pueden ser el caso de riesgos de microshock. A continuación se describen algunos de los motivos por los que puede producirse corrientes de fuga: a) Corriente de fuga a tierra: Es la corriente que se mide a través del conductor de protección o puesta a tierra desde la red.

b) Corriente de fugas del chasis: Es la que fluye del chasis a través de un camino conductor a tierra u otra parte del chasis, pero no por el conductor de protección.

c) Corriente de fugas del paciente: Es la que fluye de una parte aplicada del equipo al paciente a través de aquél a tierra, o de otro conductor a través del paciente a un equipo flotante. Manual de prácticas de Bioinstrumentación I

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d) Corriente auxiliar del paciente: Es la que fluye a través del paciente entre aparatos aplicados en funcionamiento normal sin intentar producir efectos fisiológicos.

Metodología 1) Investigar los casos posibles de una corriente de fuga y usar un instrumento adecuado para realizar las mediciones (amperímetro que pueda medir µA’s) 2) Medir los distintos casos (revisar antecedentes teóricos) de la corriente de fuga que puedan medirse en su dispositivo realizado en la práctica 6 3) Registrar, analizar y concluir de sus resultados

Recomendaciones para la implementación Analizar solo los casos de la corriente de fuga que se pueda medir en su prototipo, recordamos que aún no se cuenta con un chasis en su prototipo, el cuerpo está conectado solo a su dispositivo, su prototipo.

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Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. ¿Que tuvo que hacer para poder medir la corriente de fuga de su prototipo? 2. Mencione las dificultades para la implementación de su práctica. ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. ¿Por qué es importante determinar la corriente de fuga en un sistema de registro para un biopotencial?

Referencias: http://www.cenetec.gob.mx http://www.virtual.unal.edu.co Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs. Castellanos, Pilar. Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros. Libros de texto UAM. México 2004. págs. 15-60,105-218. Del Águila, Carlos. Electromedicina. Editorial Hasa y Nueva Librería. Colombia 2002. 538 págs.

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Practica 8 Título: Diseño de dispositivos que acondicionen la señal para poder ser desplegada. Objetivo: Diseñar un dispositivo que indique (en forma visual o audible) la señal del biopotencial, independiente de la señal eléctrica a través del monitor (osciloscopio) del laboratorio Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 1 Antecedentes Teóricos Un sistema de generalizado de instrumentación consta de: El sujeto (hombre). Sistemas Cardiovascular, respiratorio, nervioso, entre otros. Estímulos para generar una respuesta Transductores. Dispositivos capaces de convertir un tipo de energía a otra. Acondicionador de la señal. Amplificadores, procesadores de señal, circuito de aislamiento eléctrico, filtros, entre otros. Despliegue. Una vez adquirida y acondicionada la señal, se requiere de dispositivos que presenten la información al usuario. Existe una gran variedad de modos de presentación, que incluyen formatos numéricos, gráficos, permanentes (soporte papel), temporales (pantalla osciloscopio u ordenador).Incluye sistemas audibles (alarmas) y visuales (led). Registro, Procesamiento y transmisión de datos. La señal analógica puede ser procesada digitalmente, registrada y en ocasiones transmitida. Control de dispositivos. Cuando es necesario un control automático de los estímulos, transductores u otras partes del sistema. Contiene un loop de retroalimentación.

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Displays (visualizadores) .Se clasifican por los tipos de tecnología de fabricación Fluorescentes al vacío. Constan de tubos de vacío con ánodos recubiertos de fósforo. Cuando circula corriente por los filamentos, estos liberan electrones que bombardean los ánodos ocasionando que emitan luz. Plasma CC. Se basa en la ionización del gas neón contenido en un recipiente cerrado. Cuando se aplica un voltaje elevado de c.c. entre las terminales A y K el gas empieza a ionizarse, emitiendo una intensa luz de color naranja. Cristal líquido (LCD). Utilizan compuestos de fluidos orgánicos cuyas propiedades de transmisión de luz se pueden alterar al aplicar un voltaje de c.c. o c.a. y la forma de segmento O punto aparece a la vista en contraste con los alrededores. No emiten luz por sí mismos y no se ven en la oscuridad. Incandescentes. Están construidos a partir de filamentos individuales de tungsteno sellados en recipientes de vidrio. Al pasar corriente por un filamento ocasiona el calentamiento e iluminación con luz blanca. VLED.- Son arreglos con leds redondos o rectangulares colocados lado a lado dependiendo del tipo y forma del visualizador. COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS DISPLAYS Característi LED Al vacío Plasma Cristal Incandescen cas líquido te es Brillo Bueno a Bueno Bueno a No Cualquiera excelente excelente disponible Colores Rojo, Rojo, naranja Iluminación Cualquiera naranja, amarillo, externa amarillo verde y azul Tipo de 7 – 16 seg. 7 – 16 seg. 7 – 16 seg. 7 – 16 seg. 7 – 16 seg. caracteres Matriz de Matriz de Matriz de Matriz de puntos puntos puntos puntos Temperatura -40° a 85° 0° a 55° 0° a 55° -20° a 60° -40° a 85° Voltaje 1.6v a 5v 10 a 35 (Vcd) 125 a 180 3 a 20 (Vcd) 3 a 5 (Vcd) (Vcd) Potencia/dígi 10 a 250 mW 20 a 250 mW 175 a 750 10 a 250 mW 100 a 700 to mW mW Tiempo de 50 a 500 1 a 10 μSeg. 15 a 500 50 a 200 10 mSeg. respuesta nSeg. μSeg. mSeg. Tiempo de 100 000 hr. 50 000 hr. 50 000 hr. 50 000 hr. 1000 a 20 vida 000 h Display con LED basado en el uso, tamaño, y en los requerimientos de manejo, estos Displays se pueden dividir en cuatro categorías: 1. Displays con C. I. Integrado. 2. Displays de siete segmentos. 3. Displays monolíticos (con burbujas magnificadoras). 4. Displays de matriz de puntos.

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Metodología 1) Diseñar un circuito o dispositivo que indique por medio de un visualizador o en forma audible (alarma) la señal adquirida en la practica 6, por ejemplo si la señal es una derivación del ECG, entonces un led o alarma se encenderá cada que tenga la señal el complejo PQR. 2) Armar su diseño en la tabilla de experimentación (protoboard) y probar su diseño 3) Demostrar que su diseño funciona, el sistema se debe desplegar en él osciloscopio. 4) Registrar, analizar y concluir de sus resultados, sacar % de error.

Recomendaciones para la implementación Para el diseño de su indicador visual o auditivo, hacer uso de comparadores con histéresis

Cuestionario Responda con sus palabras y en forma concisa 1. ¿Que tuvo que hacer para poder implementar su diseño del indicador visual o auditivo? 2. Mencione las dificultades para la implementación de su práctica. ¿Cuál fue su aprendizaje en esta práctica? 3. ¿Cuál es la importancia del despliegue en un sistema de registro para un biopotencial?

Referencias: http://www.virtual.unal.edu.co Cromwell, Leslie. Biomedical Instrumentation And Measurement. Editorial Prentice Hall. 2006. págs. 231-337. Castellanos, Pilar. Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros. Libros de texto UAM. México 2004. págs. 15-60,105-218. Del Águila, Carlos. Electromedicina. Editorial Hasa y Nueva Librería. Colombia 2002. 538 págs. Cadena, Miguel. Fundamentos de la instrumentación biomédica. Libros de texto UAM. México 2001. 256 págs. Webster John. Medical Instrumentation.Aplication And Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs.

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Proyecto Título: Diseño de prototipo de instrumento que mida un biopotencial, acoplar todos los diseños de las practicas 2,3,4,5,6 y 8 Objetivo: Diseña de un prototipo de un sistema de captación de un biopotencial ,el cual se integra y acopla los diseños de las practicas 2,3,4,5,6 y 8.Además de blindar su sistema y tener una interfaz a un equipo de cómputo.

Lugar de realización: Laboratorio de Bioinstrumentación Número de Sesiones: 2 Antecedentes Teóricos

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Condiciones de entrega del proyecto final Prototipo en Placa Blindaje del prototipo Interface laptop (opción libre) Reporte (formato) • • • • • • • • •

Portada por práctica (Nombre del proyecto, grupo, UA, profesor, fecha, alumno) Objetivo (- 0.5 si no se incluye) Fundamento Teórico breve en forma concisa no pasar de 3 paginas (1.0) Memoria de cálculo (3.0) (incluye diagrama de su diseño, circuito eléctrico cálculos necesarios, programa indicando su proceso y diagrama de flujo) Desarrollo incluye la metodología que puede ser ejemplificada en un diagrama a bloques (1.0) Resultados debidamente acotados y sacar % de error en relación a la memoria de cálculo(1.0) Análisis de resultados (2.0) Conclusión Individual (basados en resultados y análisis de resultado, % de error)(2.0) Referencias (-0.5 si no se incluye)

Referencias: Cromwell, Leslie. Biomedical Instrumentation And Measurement. Editorial Prentice Hall. 2006. págs. 231-337. Castellanos, Pilar. Electrofisiología Humana. Un enfoque para ingenieros. Libros de texto UAM. México 2004. págs. 15-60,105-218. Del Águila, Carlos. Electromedicina. Editorial Hasa y Nueva Librería. Colombia 2002. 538 págs. Cadena, Miguel. Fundamentos de la instrumentación biomédica. Libros de texto UAM. México 2001. 256 págs. Webster John. Medical Instrumentation.Aplication and Design. Editorial Wiley. 2000.980 págs.

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Anexos hojas de especificaciones de data sheet de ciertos componentes de mayor uso (ISO 124P, CC a CC, AOP, AD620 , INA114,ETC). Reglamento

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