Bioelectrónica: amplificadores de biopotencial

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Aunque intento informar de los riesgos y las medidas a tomar en uno de los apartados, es necesario el uso responsable de esta información para evitar cualquier mal. Además, esta información no está dando al usuario una formación especializada que le capacite para el uso de estos circuitos en otras personas o aplicaciones médicas.

Vamos a lo que interesa

Ya hemos visto que las señales biológicas se registran como potenciales, y que estos son de amplitudes muy pequeñas, entre 1 uV y 100 mV, además de tener una gran impedancia y una gran cantidad de ruido. El objetivo es amplificar estas señales hasta niveles que se puedan registrar en otros dispositivos como ADCs.

Requisitos de los amplificadores

  • El amplificador no debe interferir en el proceso fisiológico que se intenta observar
  • La señal no debe ser distorsionada
  • Debe separar lo mejor posible la señal de interés de las interferencias
  • Debe ofrecer protección para el paciente
  • En el caso de posibles desfibrilaciones se debe proteger al amplificador de sobretensiones y sobrecorrientes

La configuración más típica de estos amplificadores es de 3 electrodos, dos para tomar la señal diferencial y otro de potencial de referencia. Además debe rechazar otras interferencias típicas:

  • Biopotenciales no deseados
  • Interferencias de la tensión de suministro eléctrico (50 o 60 Hz) y sus harmónicos
  • Interferencias generadas por la interfaz electrodo/piel
  • Otros ruidos: de alimentación, offset, ruido aleatorio proveniente de los componentes...

La estructura más vista es la del amplificador de instrumentación:

ampinstr

Su principal tarea es la de rechazar el ruido de red u otros ruidos que se acoplen electrostática o magnéticamente al paciente. Estas señales se presentan en los dos electrodos con aproximadamente la misma amplitud, por lo que se convierte en una señal de modo común.

Este amplificador de instrumentación (por lo tanto diferencial) tiene la característica de tener un gran ratio de rechazo de modo común (CMRR, Common mode rejection ratio), por lo que la señal acoplada en modo común se va a dividir por la ganancia del modo común, provista por los fabricantes y que depende del modelo (normalmente entre 90 y 140 dB).

Además la impedancia de entrada es muy grande: ya sabemos que en las entradas de los amplificadores operacionales la corriente se puede considerar nula, y en este caso la señal va directa a la entrada. Esto ayuda a mantener un balance de corrientes entrantes que favorece al CMRR, y a evitar divisores de tensión debido a la resistencia de los electrodos.

Si todo va bien al finalizar esta etapa habremos obtenido la señal:

V_{out} = (V_{2}-V_{1})G_{D}

Interferencias y filtrado

Esta señal todavía es pequeña y contiene ruidos e interferencias. Para poder amplificar la señal y a la vez evitar que sature el amplificador debido a las señales no deseadas, que pueden ser mayores que la señal de interés, se aplican entonces filtros. Es preferible usar filtros de un orden alto y en los que la ganancia caiga lo más recto posible, como se da en las respuestas tipo Bessel o Butterworth.

Si se piensa añadir un aislamiento, se deberá pensar si poner los filtros antes o después, ya que el método de aislamiento (óptico, capacitivo, inductivo, ...) puede introducir ruidos. Por lo general el filtro paso alto va inmediatamente después del amplificador diferencial para eliminar el offset.

Otras técnicas de reducción de ruidos son:

  • Uso de gel de electrolito para mejorar la conducción entre la señal y el electrodo
  • Poner una pantalla activa en el cable que evite acoplamientos capacitivos
  • Trenzado de cables para evitar acoplamientos inductivos
  • Alejar al paciente de las fuentes de interferencias
  • Alejar el electrodo de referencia de los otros dos electrodos lo máximo posible en el cuerpo
  • Usar un amplificador de aislamiento
  • Ajustar la ganancia del amplificador a la que la señal requiere

Aislamiento y seguridad del paciente

Al poner un electrodo se está realizando una conexión entre una persona y un circuito eléctrico/electrónico. Si existe cualquier fallo en la alimentación, o el paciente toca una parte metálica en tensión, la corriente pasará a través de él, porque un electrodo de referencia le conecta a tierra.

Esto tiene consecuencias obviamente desagradables, y las principales técnicas para evitarlo vienen todas en un pack casi inseparable.

Lo más lógico es usar un amplificador de aislamiento o algún tipo de transmisión de datos que permita separar las masas de los circuitos del preamplificador de la etapa final, normalmente un ordenador o máquina conectada a tensión de red. Hay cuatro métodos principales:

  • Aislamiento óptico mediante un LED y un fotodiodo, combinación conocida como optoacoplador. Ofrece una gran resistencia debido al aire que separa a los dos componentes, aunque siempre hay algo de corriente que pasa. La limitación de éste método viene dada principalmente por la no linealidad de sus componentes.
  • Aislamiento por transformador o capacitivo: al igual que en el caso anterior pero el método de transmisión es modulando la señal que pasa a través de unas espiras de cable o un condensador especial.
  • Aislamiento por fibra óptica: se usa muy poco, pero es una opción.

Una vez hemos aislado la etapa del preamplificador de la etapa final nos queda alimentarla, y sólo hay una opción:

  • Baterías: una pila o batería (y un diseño adecuado del circuito) asegurará que las masas de ambas etapas no se juntan y por lo tanto las corrientes de una no tienden a ir hacia la otra
  • Convertidores DC/DC aislados: ciertos modelos de convertidores ofrecen aislamiento galvánico entre entradas y salidas, además de la posibilidad de alimentar con sólo dos cables y extraer de ahí una fuente partida de 3 terminales.

Electrodo activo

En lugar de usar una conexión directa a la masa del preamplificador para el electrodo de referencia, se usa un amplificador operacional en una configuración especial conjunta con el amplificador de instrumentación. Con esto se logran dos cosas: aumentar la impedancia del paciente a masa y aumentar el CMRR, ya que realimenta la señal en modo común invertida al paciente.

La configuración típica es esta:

elecactivo

Las resistencias (R12 y R15) se configuran para ofrecer una alta impedancia, por lo que suelen ser del orden de megaohmios.

Transmisión digital

Si se digitaliza la señal con un circuito conectado a la batería, se puede llevar a cabo una transmisión aislada o incluso inalámbrica de los datos fácilmente:

  • Optoacopladores: al tratarse de una señal digital la no linealidad no afecta a la señal
  • Bluetooth o wifi
  • Fibra óptica

Además ofrecen la posibilidad de añadir filtros digitales de muy alto orden que limpien la señal muy eficientemente. Los problemas más comunes que se pueden encontrar es la interferencia de la línea digital con la analógica, que se suele solucionar fácilmente en el diseño del circuito impreso, o la frecuencia de muestreo máxima del procesador digital, lo cual no es un problema hoy en día.

Fuentes:

  • Nagel, J. H. “Biopotential Amplifiers” The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition.
  • Bioelectrónica JM Ferrero

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