Amplificadores de biopotencial

Temas a tratar

Características de las señales

Requisitos del sistema

Amplificador de instrumentación

Interferencias y filtrado

Seguridad

Electrodo activo

Nuevas tecnologías

1 de 15

Características de las señalesSon de amplitudes muy pequeñas y presentan una gran impedancia, junto con una gran cantidad de ruido.

Tipo de señal Amplitud Banda

Potencial de acción

celular50 mV – 150 mV 0.1 Hz – 1 KHz

Electrocardiograma

(ECG)0.5 mV – 4 mV 0.05 Hz – 250 Hz

Electroencefalograma

(EEG)5 µV – 300 µV 0.01 Hz – 150 Hz

Electromiograma

(EMG)100 µV – 5 mV 0.01 Hz – 1 kHz

TABLA 1: CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES. BIOELECTRÓNICA – JM FERRERO.

2 de 15

Requisitos del sistema

• No debe interferir en el proceso que se intenta observar

• La señal no debe ser distorsionada

• Debe separar la señal de las interferencias

• Debe ofrecer protección eléctrica para el paciente

• Debe proteger al amplificador de sobretensiones y sobreintensidades

• Las señales se captan de forma diferencial

3 de 15

Amplificador de instrumentación

Cumple todos los requisitos mencionados

• Captación diferencial de las señales• Gran impedancia de entrada• Alto Common Mode Rejection Ratio

(CMRR)• Bajo offset y ruido• Ganancia:

𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉2 − 𝑉1

= 1 +2𝑅1𝑅𝑔𝑎𝑖𝑛

𝑅3𝑅2FIGURA 1: AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

4 de 15

Amplificador de instrumentación (II)

Algunos modelos comerciales

• Analog Devices• AD620

• AD623

• Texas Instruments• INA128

• INA129

FIGURA 2: CARACTERÍSTICAS DEL INA128TEXAS INSTRUMENTS

5 de 15

Interferencias y filtrado

Las interferencias a las que hay que hacer frente son principalmente:

• Ruido de red (50 o 60 Hz)

• Biopotenciales no deseados

• Señales generadas por el movimiento del electrodo

• Otros ruidos• Alimentación

• Offset

• Ruido aleatorio de los componentes

6 de 15

Interferencias y filtrado (II)

Para evitar estas interferencias se usa:

• Amplificador de instrumentación• El CMRR atenúa las señales acopladas en modo común

• La alta impedancia de entrada evita atenuar la señal de interés

• Filtros activos de orden alto• De segundo orden o mayor

• Selección de frecuencias de corte

• Respuesta Butterworth o Bessel

• Tipo paso alto, paso bajo o Notch

FIGURA 3: BODE DE FILTROS EN SERIE

7 de 15

Interferencias y filtrado (III)

Otras recomendaciones:

• Usar gel para los electrodos reduce ruidos por movimiento

• Poner al cable una pantalla activa

• Trenzar los cables

• Alejarse de las fuentes de interferencia

• Ajustar la ganancia del amplificador a la requerida

FIGURA 4: CABLE APANTALLADO Y CABLE TRENZADO

8 de 15

Seguridad

Se está realizando una conexión entre una persona y un circuito

Existe riesgo eléctrico al estar conectado a masa

Formas de evitar el riesgo: separar la masa del paciente

• Amplificador de aislamiento

• Electrodo activo

• Aislamiento óptico

• Fibra óptica

• Alimentación mediante bateríaso convertidores aislados

FIGURA 5: FORMAS DE AISLAMIENTO

9 de 15

Electrodo activo

Es una estructura con la que se logra:

• Alta impedancia en elelectrodo de referencia(Tierra virtual)

• Reducción de ruido porrealimentación de señalesen modo común invertidas

FIGURA 6: CIRCUITO CON ELECTRODO ACTIVO PARA ECG

10 de 15

Nuevas tecnologías

Bioamplificadores integrados

La reducción de tamaño de los circuitos permite reunir todo lo necesario en un solo integrado, para varios canales de entrada

Ejemplo:

ADAS1000

FIGURA 7: ADAS1000-4. ANALOG DEVICES. 11 de 15

Nuevas tecnologías (II)

Sistemas digitales

Hoy en día cualquier microcontrolador permite el muestreo de estas señales incluso con ruido. Ventajas:

• Aplicación de filtros digitales en primeras etapas

• Uso de optoacopladores para aislamiento

• Muy versátil en diseño y prestaciones

12 de 15

Nuevas tecnologías (III)

Transmisión inalámbrica

Se ha desarrollado mucho el campo de la transmisión inalámbrica, por ejemplo vía Bluetooth o WIFI. Las ventajas que ofrece son:

• Aislamiento total, sin cables

• Distancia al sistema de procesado de señales

• Internet of Things

FIGURA 8: MÓDULO WIFI ESP8266

13 de 15

Nuevas tecnologías (IV)

VIDEO: TARJETA-ECG DE MOBILECG.HU14 de 15

Fuentes y bibliografía

15 de 15

Bioelectrónica – J.M. Ferrero

Medical Instrumentation – John G. Webster

Biopotential Amplifiers – J.H. Nagel

Datasheets – Texas Instruments y Analog Devices

Mobile Medical Applications Made Feasible Through Use of Embedded Internet System Platforms- Åke Östmark, Linus Svensson, Per Lindgren, Jerker Delsing

A Wearable ECG-recording System for Continuous Arrhythmia Monitoring in a Wireless Tele-Home-Care Situation - Rune Fensli, Einar Gunnarson, Torstein Gundersen

Amplificadores de biopotencial