Ib 2

AREA DE AUTOMATIZACION E INSTRUMENTACION Instrumentación Biomédica.

3.3.1. Biométrica La rama de la ciencia que comprende la medida de las variables y parámetros fisiológicos, se conoce como BIOMETRICA. La instrumentación biomédica proporciona las herramientas que permiten realizar este tipo de mediciones. Las señales pueden provenir del cerebro, los ojos, los músculos, el corazón, etc. En estos casos las técnicas utilizadas para su detección y análisis se conocen respectivamente con los nombres de electroencefalografía, electrooculografía, electromiografía y electrocardiografía. Las herramientas para el estudio de estas y otras variables y parámetros fisiológicos constituyen la instrumentación biomédica. Se considera que la biométrica se inició a finales del siglo XIX con la invención del electrocardiógrafo por parte de Einthoven, de allí en adelante su progreso fue lento. Después de la segunda guerra mundial, en la década de los cincuenta, existía una gran cantidad de excedente de equipos electrónicos, entre los que se encontraban amplificadores y registradores, los cuales fueron utilizados para realizar ensayos por medio de los cuales se quería efectuar la medida de parámetros electrofisiológicos; esto no funcionó del todo, pues para ese entonces los ensayos se realizaban en ausencia de los médicos, y se pudo observar que los parámetros fisiológicos no podían ser médicos de la misma forma que los parámetros físicos. En los años sesenta se abandona la idea de modificar el "hardware " existente y se empieza a diseñar "hardware" específico para las aplicaciones en biomedicina. La NASA con sus programas "GEMINIS", "MERCURIO" y "APOLO" empieza a realizar investigación en éste campo pues se requería la monitorización de los astronautas desde el espacio; de ésta forma se da inicio a la Biotelemetría. En éstos ensayos ya los ingenieros y los médicos empezaron a trabajar en conjunto; de ésta manera se da inicio en firme a la Biométrica. La Tabla 3.5 lista los parámetros electrofisiológicos que podrían ser médicos con módulos de detección de potenciales bioeléctricos, en los que se utiliza como transductor el electrodo ya estudiado. Se incluye sus rangos de medición y de frecuencia. Los rangos listados son aproximados y pueden requerir expansión, dependiendo del propósito de las mediciones.

Tabla 3.5. Lista de algunos potenciales bioeléctricos Parámetro Rango de

voltaje Rango de frecuencia

Sensor

Electrocardiograma (ECG) 0.5 - 4mV 0.01 - 250Hz Electrodos cutáneos

Electroencefalografía (EEG) 5 - 300uV DC - 150HZ Electrodos en cráneo

Electrocorticografiá 10 - 500mV DC - 150HZ Electrodos profundos

Electro-oculografía (EOG) 50 - 3500 uV DC -50 Hz Electrodos en contacto

Electroretinografía (ERG) 0 - 900 uV DC -50 HZ Electrodos en contacto

Respuesta galvánica de piel (GSR) 1 - 500 Kohms 0.01 - 1Hz Electrodos en cutáneos Potenciales nerviosos 0.001 - 3 mV DC -10000Hz Electrodos superficiales o

de agua Electromiografía (EMG) 0.1 - 5mV DC -10000Hz Electrodos cutáneos o de

agua La mayor parte de los parámetros asociados con los potenciales bioeléctricos de la Tabla 3.5 se caracterizan por ser muy bajos comparados con los parámetros que son generalmente obtenidos en, por hacer una comparación, procesos industriales. Obsérvese por ejemplo, que una gran parte de los voltajes están en el rango de los micro voltios; nótese también que todas la señales listadas están en el rango de las audiofrecuencias o por debajo y aún muchas señales están entre DC y frecuencias muy bajas; además, éstos potenciales se pueden tener de manera pasiva sin requerimientos de excitación externa para su medida.

Dr. Luis Corrales Mayo del 2005 Pág. 51


En el diseño o especificación de los sistemas de instrumentación médica, y con mayor razón en aquellos circuitos diseñados por uno mismo, se deben considerar cada uno de los factores ya descritos para cumplir con normas rigurosas establecidas y, sobre todo, para evitar poner en peligro al paciente o al operador del dispositivo. Otros aspectos prácticos se detallan a continuación.

Por ejemplo, el elemento que muy comúnmente hace contacto con el paciente es el electrodo, para el que se diseña un circuito de acondicionamiento de la señal con amplificadores especiales que se necesitan debido a las señales pequeñas con las que se trabaja. En la Figura 3.24 se muestra el circuito equivalente que se tendría entre el paciente y el circuito de soporte.

Figura 3.24. Circuito equivalente entre el paciente y el equipo de soporte.

Para evitar los problemas de ruido interno muscular o interferencias que pueden inducirse por el cable; es decir, señales en modo común, se suele emplear amplificadores conectados en modo diferencial.

Figura 3.25. Señal bioeléctrica conectada a un amplificador en modo diferencial. Pero es mejor emplear el clásico amplificador de instrumentación por sus excelentes características que lo hacen ideal para aplicaciones donde se tiene mucho ruido. ¿Cuales son estas características?

1. Gran impedancia de entrada, 2. Impedancia equilibrada en sus entradas tanto positiva como negativa, lo que evita que el

punto de trabajo en la salida se desvíe al punto de llevar al amplificador a corte o a saturación.

3. Gran Factor de Rechazo en Modo Común (CMRR) que le hace ideal para eliminar ruido de modo común.



Figura 3.26. El amplificador de instrumentación.

En aquellas aplicaciones donde se tiene grandes impedancias de la fuente (en este caso el electrodo conectado al paciente) es preferible utilizar amplificadores de instrumentaciones cuyos amplificadores operacionales de entrada son FETs (Figura 3.27) o con transistores super beta.

Figura 3.27. Amplificador de instrumentación con FETs.



En muchas ocasiones se puede tener configuraciones más sofisticadas como usando el circuito integrado 3606 que es un amplificador de instrumentación con ganancia programable controlada digitalmente, como se muestra en la Figura 3.28.

Figura 3.28. Circuito integrado 3606 con ganancia programable. A pesar de la alta impedancia de entrada que presenta el amplificador de instrumentación, en ciertos diseños no suele ser suficiente y se recurre a aislar galvanicamente al paciente del amplificador empleando un transformador como se muestra en la Figura 3.29.

Figura 3.29. Aislación galvánica entre el paciente y el amplificador. Pero el amplificador aislado ideal es el que se esquematiza en la Figura 3.30, el cual aísla totalmente al amplificador de entrada del resto del circuito para reducir al mínimo la posibilidad de poner en peligro al paciente en caso de falla del circuito del cual forma parte.



Figura 3.30. Amplificador con aislamiento.

3.3.4. Medidas referentes al uso adecuado de los Equipos Electromédicos. Aún en el supuesto de que sean cumplidas escrupulosamente las normas destinadas a minimizar los efectos no deseados de las corrientes eléctricas en los equipos electromédicos y en la instalación eléctrica de baja tensión en los ambientes de uso médico, queda abierta la posibilidad de fallas que ocasionen daños al paciente como consecuencia de una inadecuada utilización de los equipos médicos. Es evidente que se hace casi imposible establecer una normativa que se deberá seguir para su utilización por la variedad de criterios existentes y, sobre todo, por la variedad de ambientes de operación; sin embargo, se identifican a continuación los problemas que podrían suceder para minimizar los riesgos. Generalmente los distintos equipos destinados a utilización electromédica son entregados con la suficiente información tanto literal como gráfica relativa a su uso y mantenimiento que, si son seguidas fielmente, proporcionan un margen de seguridad conveniente. Sin embargo, dos equipos electromédicos, que por separado y bien utilizados ofrecen una garantía suficiente para el paciente y médico, pueden resultar peligrosos cuando actúan simultáneamente sobre un mismo paciente. Así, por ejemplo se han reportado quemaduras que aparecen en la piel del paciente bajo los electrodos de un equipo de ECG, como resultado del uso conjunto con un equipo de alta frecuencia como es el electrobisturí. En la Figura 3.31 se representa a un paciente sometido a la acción combinada de un electrobisturí (izquierda) y de un monitor de ECG. El electrobisturí es del tipo flotante (floating); es decir, no conectado a tierra para las altas frecuencias, si bien para las bajas frecuencias se conecta a través del choque L1 el cual a su vez con C1 y C2 forma un circuito oscilador. Estas capacidades C1 y C2 son las que corresponden a efectos capacitivos de fuga en bobinas y circuitos. El equipo de ECG representado corresponde a un modelo apto para su funcionamiento conjuntamente con un equipo de alta frecuencia. En efecto, la adecuada conexión de los electrodos con ambos equipos conectados al neutro a una placa común N, no supone una indeseada puesta a tierra del electrobisturí a través del monitor de ECG ya que la acción del choque L2 bloqueará el paso de la alta frecuencia en un posible camino a tierra.



Figura 3.31. Efectos del uso de dos equipos en forma simultánea.

Considerar ahora un modelo de monitor de ECG destinado exclusivamente a vigilancia intensiva y en el cual, como es frecuente, no existe ni el choque L2 ni la resistencia R1. En tal caso, el electrodo quirúrgico neutro se conecta a tierra a través del conductor neutro del monitor, al igual que todas las piezas metálicas del quirófano, abriendo un camino para la fuga incontrolada de corriente en alta frecuencia desde el polo activo del electrobisturí a tierra a través del cuerpo del paciente. De esta manera se puede observar como dos equipos que separadamente cumplen sus objetivos sin riesgos en una unidad de vigilancia, pueden resultar peligrosos funcionando conjuntamente. Se puede pensar que la solución a este problema sería el utilizar un monitor con las protecciones como las indicadas en el primer caso (con choque L2 y resistencia R1), y el lector está en lo cierto, pues el Ingeniero Biomédico es el encargado de analizar los posibles problemas que se pueden presentar al conectar a un mismo paciente varios equipos para sugerir y recomendar su utilización o prohibirla, para lo cual deberá analizar cada equipo independientemente y su efecto al conectar a otros equipos.

De todo lo explicado, para las medidas concernientes a la aplicación de los equipos electromédicos se puede concluir que, un adecuado análisis de situación evitaría los riesgos indeseables, que en nuestro medio, sin el concurso de un Ingeniero Biomédico, serían imposibles de evitar, ya que, como es de conocimiento general, el personal médico que va a usar un equipo nuevo pone más atención a cómo operarlo antes de pensar en cómo usarlo adecuadamente siguiendo las especificaciones y acatando las prohibiciones del fabricante. 3.3.5. Recorrido de la corriente por el cuerpo.

Como aplicación práctica de los conceptos hasta aquí mencionados, se desarrolla un sencillo ejemplo:

La Figura 3.32 representa dos estados sucesivos de una instalación provista de un interruptor diferencial (D). En el primer estado (1) se representa un motor (delta) sin toma de tierra, con una derivación que ocasiona una diferencia de potencial entre la carcasa del motor y tierra de 150 Voltios.



Figura 3.32.Caso práctico

En el segundo estado (II) se representa dicha instalación y a un individuo que se pone en contacto con la carcasa del motor. Siendo la resistencia del individuo de 1.500 Ohm indicar:

a. Intensidad máxima que podrá circular a través del individuo.

b. Tiempo máximo de actuación del interruptor diferencial para que no se alcancen los umbrales de no soltar y de fibrilación ventricular, tanto en corriente alterna de 50 Hz, como en corriente continua ascendente.

c. Indicar, según la legislación vigente, cual debe ser el tiempo máximo de disparo del interruptor diferencial.

Solución:

Pregunta a:

Según la ley de Ohm: V = Ih x R

Ih = 150 / 1500 = 0.1 A = 100 mA

Pregunta b:

En corriente alterna

Trayectoria mano derecha - pies: factor de corriente de corazón F = 0,8

Iref = F x Ih = 0,8 x 100 = 80 mA

Interpolando en el gráfico de corriente alterna (Figura 1.12):



• Umbral de no soltar ≥ 50 ms = 0,05 segundos • Umbral de fibrilación ≥ 550 ms = 0,55 segundos

En corriente continua ascendente

lref = 80 mA

Interpolando en el gráfico de corriente continua (Figura 1.13):

• Umbral de no soltar ≥ 100 ms = 0, 1 segundos • Umbral de fibrilación ≥ (no se alcanza)

Como se puede apreciar, en este caso concreto, el umbral de no soltarse alcanza en corriente alterna en la mitad de tiempo que en corriente continua, pero aún es más significativo el umbral de fibrilación que en corriente alterna se alcanzaría en tan solo cincuenta y cinco centésimas de segundo y, sin embargo, en corriente continua no se podría alcanzar.

Pregunta c:

Según la norma de obligado cumplimiento UNE 20.383-75 (MIE REBT-044) en su apartado 18, para un interruptor automático diferencial de intensidad diferencial nominal de disparo I∆ N = 0,03 mA los tiempos de disparo deben ser:

Si I = I∆ N ⇒ tiempo de disparo < 0,2 s

Si I = 2 I∆ N ⇒ tiempo de disparo < 0, 1 s

Si I = 10 I∆ N ⇒ tiempo de disparo < 0,04 s

En este caso:

I = Ih = 100 mA I∆ N = 30 mA

por tanto,

I = (100/30) I ∆ N ⇒ I = 3,3 I ∆ N

Luego el tiempo de disparo debe estar comprendido entre 0,04 y 0, 1 segundos; valores muy inferiores a los umbrales de fibrilación ventricular.

Conclusión: en este caso, el interruptor diferencial dispara y desconecta la instalación antes de que se produzca la fibrilación ventricular en una persona en condiciones fisiológicas normales.

Redefiniendo a las Tensiones Peligrosas

Se ha dicho varias oportunidades que cuando se toca el electrodo de tierra o bien la instalación de puesta a tierra sin aislar y un punto cualquiera de tierra, la persona queda sometida a una tensión de contacto en el caso de producirse un defecto.



La referencia IEEE 80 Guide for Safety in Alterning Current Substation Grounding, indica como un valor promedio de la resistencia del cuerpo humano, 1, 000 ohmios, considerando como el contacto establecido entre la mano y los pies, como también entre los pies.

Se ha dicho también, en resumen, que una persona saludable puede soportar un nivel de corriente hasta: 1 mA

Si se le somete de 10 – 25 mA: Falta de control muscular

A 100 mA: Se produce fibrilación ventricular

> 100 mA: Se puede producir desde un paro cardiaco a quemaduras severas

Según DALZIEL, cuyas investigaciones fueron publicadas en la IEEE GUIDE FOR SAFETY IN AC SUBSTATION GROUNDING ANSI/IEEE Std 80 – 1986 (Revision of IEEE Std 80 – 1976); desarrolló una relación empírica en base a la experiencia de voluntarios, concluyendo que de un 99.5% de los hombres participantes en los experimentos (sin fibrilación) respondía a la siguiente fórmula:

Sb = (Ib)2 Ts

Sb: constante empírica relacionada a la energía tolerada por cierto porcentaje de

la población.

Ib: magnitud RMS de la corriente a través del cuerpo humano (Amperios).

Ts: Tiempo de duración de la exposición a la corriente (segundos)

El valor empírico de Sb es de 0.0135

Despejando las variables se tiene que la Corriente máxima en el cuerpo humano:

Corriente Máxima Admisible:

Ib = 0.116 / √ Ts Para personas con un peso promedio de 50 kg. Valida en el rango de

0.03 a 3 segundos.

Ib = 0.157 / √ Ts Para personas con un peso promedio de 70 Kg.

Donde T = Tiempo de duración del contacto.

Resistencia del cuerpo Admisible: Para los cálculos convencionales se toman estos

valores de la resistencia del cuerpo humano:



Pecho a Mano (derecha) 650 Ω

Pecho a Mano (izquierda) 750 Ω

Mano izquierda a pie (s) 1.000 Ω

Mano derecha a pie (s) 1.250 Ω

Espalda a mano derecha 1.400 Ω

Otros puntos de contacto > 1.400 Ω

Mano – mano 2.300 Ω

Mano – pie 1.100 Ω

Cuerpo 1.000 Ω (IEEE Std 80 – 1976)

Tabla 3.4. Valores de resistencia para cálculo.

La tensión de toque para el caso de contacto de metal a metal :

E50 = 116 / √ Ts Para personas con un peso promedio de 50 kg

E70 = 157 / √ Ts Para personas con un peso promedio de 70 kg

Referencia: Canadian Electrical Code, Part I. Versión en consulta del nuevo código

nacional de electricidad

Duración de la falla 0,5 s Duración de la falla 1,0 s

Tipo de Suelo

Resistividad

(Ω - m) Tensión de

paso

(V)

Tensión de

toque

(V)

Tensión de

paso

(V)

Tensión de

toque

(V)

Orgánico Mojado 10 174 166 123 118

Húmedo 100 263 186 186 133



Seco 1 000 1 154 405 816 286

Piedra partida 105

mm 3 000 3 143 885 2 216 626

Cama de Roca 10 000 10 065 2 569 7 116 1 816

Tabla 3.5. Tensiones de toque y paso tolerables (En subestaciones: Ver Reglas 190-304, 190-306, 190-308, 190 - 310 y 190 – 312) Nota:

1. Tabla calculada de acuerdo al IEEE Standard N° 80.

2. La instalación de una subestación típica se diseña para una duración de falla de 0,5

segundos y el total de la superficie dentro del cerco es cubierto con una capa de piedra

partida de 150 mm de espesor con una resistividad de 3 000 ohmio - metro.

Situaciones Típicas

La resistencia del terreno debajo de los pies, puede hacer fluctuar apreciablemente la

resistencia del cuerpo humano. Los pies pueden ser considerados equivalentes a una

superficie de un plato circular (electrodo) con un radio de 8 cm aproximadamente y la

resistencia del terreno puede ser calculada en términos de resistividad ρ s (ohmio -

metro) del terreno cerca de la superficie.

Esto ha determinado que la resistencia de dos pies en serie (contacto de paso) es

aproximadamente 6 ρ s y la resistencia de dos pies en paralelo (contacto de toque) es

aproximadamente 1,5 ρ s.

Para propósitos prácticos, R k para cada pie puede ser asumida de 3 ρ s.

Tensión de Contacto:

Según VDE 0100, es la tensión que durante un defecto puede resultar aplicada entre la

mano y el pie de la persona, que toque con aquella una masa o elemento metálico,

normalmente sin tensión.



Tratando los pies como electrodos se puede decir que tienen una resistencia

aproximada de: 3ρ s

En donde ρ s = resistividad del suelo, entonces Rf = 3 ρ s

Resistencia total: R = 1.000 Ω + 1.5 ρ s

Tensión de toque:

Si Ib = 0.116 / √ T ⇒ V toque = 0.116 (1.000 Ω + 1.5 ρ s) / √ T

Para un suelo conformado con grava (sub estaciones) se tiene que: ρ g = 3.000 Ω - m.

Reemplazando datos se tiene que: V toque = 638 / √ T

Tensión de Paso:

Según VDE 0100, es la diferencia de tensión que aparece entre los puntos distanciados

un metro, sobre la superficie de la tierra. Su valor depende de la dirección en que se

ande.

Tratando los pies como electrodos se puede decir que tienen una resistencia

aproximada de: 3ρ s

En donde ρ s = resistividad del suelo, entonces Rf = 3 ρ s

Resistencia total: R = 1.000 Ω + 6 ρ s

Tensión de toque:

Si Ib = 0.116 / √ T ⇒ V toque = 0.116 (1.000 Ω + 6 ρ s) / √ T

Para un suelo natural se tiene que: ρ g = 1.000 Ω - m



Reemplazando datos se tiene que: V toque = 812 / √ T

Aún con equipo operado por baterías, puede llegar a circular corrientes peligrosas, por lo

que también se debe ejercer un gran cuidado en el diseño y empleo de estos equipos.

¿Qué podría hacerse para mitigar o evitar los efectos de la corriente eléctrica continua?

Por ejemplo, puesto que la corriente continua puede producir electrólisis, en aquellas

aplicaciones donde no se requiera esta componente, se podría pensar en un acoplamiento

capacitivo.


Documents

Ib 2