Bioelectrónica: electrodos

Para poder medir los potenciales biológicos que, como ya hemos visto, son tensiones, o corrientes, muy pequeñas, es necesario una "interfaz" entre el potencial y el sistema electrónico. De ésto se encargan los electrodos.

Puede parecer simple, pero como ya comentamos anteriormente: los potenciales biológicos se dan con iones, mientras que el sistema de medida funciona con electrones. Entonces el electrodo es el que se encarga, de nuevo, de hacer de transductor.

También resulta que el proceso de transducción afecta al electrodo con el tiempo, degradándolo. Hay varios tipos de electrodos para todos los tipos de biopotenciales.

Interfaz electrodo-electrolito

El paso de corrientes iónicas a corrientes electrónicas se puede entender examinando la interfaz entre electrodo y electrolito que se muestra:

electrodo

Aquí se ve un electrodo hecho de átomos metálicos (C), a la derecha el electrolito (fluidos del cuerpo) que contiene aniones y cationes en movimiento, y a la izquierda el movimiento de electrones. Esto es causado por el paso de corriente.

Entonces, podemos decir que lo que ocurre ahí son reacciones químicas de transmisión de electrones. El catión C+ llega, coge un electrón que traspasa la barrera del electrodo y se va como elemento de carga neutra C (que en este caso diremos que es el mismo que el del electrodo). De la misma forma el anión A- descarga su electrón sobrante. Son reacciones de oxidación-reducción.

A^{m-}\Longleftrightarrow A + me^{-}

C\Longleftrightarrow C^{n+} + ne^{-}

En química se aprende que cuando metes un metal en una solución que contiene iones del mismo metal, estas reacciones se dan inmediatamente, aunque a cierta velocidad. Además aparece una diferencia de potencial que se llama potencial de semicelda (half-cell potential), y que depende del metal, la concentración de iones y la temperatura, además de otros factores. Esto es muy importante para entender el comportamiento de los electrodos para biopotenciales, básicamente porque es así como funcionan, ya lo hemos visto.

Como no podemos medir este potencial de semicelda de un sólo electrodo porque no podemos realizar una conexión entre el electrolito y el terminal de medida, se añade un segundo electrodo y se mide la diferencia de potencial.

Este segundo electrodo da un potencial de referencia, y puede ser cualquier metal, pero se usa el hidrógeno como referencia, obteniendo una tabla de potenciales según el metal del que se trate:

potencialesmedia

Polarización

Ya hemos visto el potencial de un electrodo, pero esto se da en condiciones en las que no existe una corriente entre el electrodo y el electrolito. Si existe una corriente, el potencial se altera. La diferencia se conoce como sobrepotencial y se separa en tres componentes:

  • Sobrepotencial ohmico: es el resultado directo de la resistencia del electrolito. Ya sabemos por la ley de Ohm que si una corriente pasa por una resistencia, ahí existe una diferencia de potencial.
  • Sobrepotencial de concentración: se debe al cambio en la distribución de iones en el electrolito cerca de la interfaz. Obviamente donde se están realizando los intercambios de electrones la concentración cambia más rápidamente que a cierta distancia, incluso llegando al equilibrio antes de lo debido.
  • El tercer mecanismo de polarización es el sobrepotencial de activación: el proceso de transferencia de carga de las reacciones químicas que se dan requiere de un pequeño potencial para sobrepasar una pequeña barrera energética. Esta diferencia de energía aparece como una diferencia de tensión entre el electrodo y el electrolito.

Estos potenciales se suman junto al potencial de semicelda (estándar) del material y se obtiene el potencial de polarización:

V_{p} = E^{0} + V_{r} + V_{c} + V_{a}

Electrodos polarizables y no-polarizables

Teóricamente se pueden separar los electrodos entre aquellos que se pueden polarizar y aquellos que no. La clasificación se refiere a lo que le ocurre a un electrodo cuando una corriente pasa entre él y el electrolito:

  • En los polarizables no hay una carga que cruce entre el electrodo y el electrolito, por lo que se comportan como condensadores.
  • En los no polarizables la corriente pasa libremente por la interfaz, y no requieren energía para hacer esta transición. Idealmente no tendrían sobrepotenciales.

Ninguno de estos tipos puede fabricarse realmente, aunque algunos materiales se les asemejan en comportamiento.

El electrodo de Ag/AgCl es el que más se acerca  las características de un electrodo no polarizable perfecto,  por ejemplo.

Comportamiento y modelo eléctrico

A veces ocurre que las características tensión-corriente de la interfaz electrodo-electrolito no son lineales, por lo que necesitarás elementos no lineales para modelizar el electrodo. Siendo más específicos, las características del electrodo cambian según la corriente que pase por ellos, y la forma de onda de la señal. Para un análisis se usan ondas senoidales.

Para una onda senoidal, las características tienen componentes resistivas y reactivas. En general se puede modelizar como una resistencia y un condensador en serie, pero esto deja de funcionar para las bajas frecuencias. En estas el modelo sugiere una impedancia que tiende a infinito según la frecuencia disminuye, y esto se modeliza como una resistencia y un condensador en paralelo. Finalmente el modelo es:

modelelec

Donde vemos:

  • E_{hc}: potencial de semicelda
  • R_{d} y C_{d}: modelizan la impedancia asociada a la interfaz electrodo-electrolito y los efectos de la polarización
  • R_{s}: resistencia en serie asociada a la resistencia en el electrolito

Interfaz electrodo-piel y artefacto motriz

Cuando se recogen potenciales en la superficie de la piel, se debe considerar una interfaz adicional para terminar de entender el comportamiento de los electrodos.

Para poner un electrodo en la piel, se usa por lo general un gel de electrolito transparente con aniones de cloro (principalmente) para mantener un buen contacto. También está disponible en crema.

Entonces, la interfaz sigue siendo electrodo-electrolito, como habíamos visto antes, pero sigue habiendo una interfaz electrolito-piel distinta y que requiere otra explicación.

Hallamos un modelo que depende de las características de la piel y todas sus capas:

piel

Se pueden reducir los efectos de la capa más externa de la piel eliminándola mediante rozamiento o con químicos, pero esto es más bien desagradable para el paciente.

Por último, al poner el electrodo y electrolito en contacto, ya hemos visto que se produce una distribución de cargas superficial. Si resulta que se mueve el electrodo, la distribución de carga cambia momentáneamente hasta que se restablece el equilibrio. Esto se va a ver reflejado como un ruido, aunque se puede filtrar y tiene frecuencias bajas, siempre que no se elimine también la señal de interés. Por ejemplo en un EMG de superficie puede estar en torno a los 20 Hz como mucho.

Electrodos de superficie

Por fin, vamos a ver algunos tipos.

  • Electrodos de placa metálica: son de los más usados, consistentes en un conductor en contacto directo con la piel. Además se usa un pad pegajoso con electrolito, o un gel, para mantener el contacto

elecpad

  • Electrodos de succión: estos son muy graciosos. Son un metal hueco al que se le añade una bomba de succión de goma, por lo que se consigue una gran presión de contacto, además de la concentración de sangre que aumenta y conduce mejor la señal, a base de dejar marcas que quién sabe cuánto pueden tardar en desaparecer. Se usan para periodos cortos de tiempo, normalmente en las derivaciones precordiales del ECG

elecsucc

  • Electrodos flotantes: para evitar el artefacto motriz que causa el movimiento del electrodo, se pone el electrodo metálico flotando en gel electrolito, también con una capa adhesiva, por lo que no está en contacto directo con la piel y siempre se encuentran las cargas repartidas por igual.

elecflot

Una anotación: durante la desfibrilación el electrodo va a dejar pasar una gran corriente, por lo que tardará un poco en volver a su estado normal y ver si la desfibrilación ha resultado exitosa o tenemos a un paciente muriendo todavía. En la fabricación se intenta que este retorno a la normalidad sea lo más rápido posible, además de usar materiales que no causen irritación.

  • Electrodos flexibles: como la piel no es una capa rígida y recta, se hacen electrodos que se pueden curvar. Últimamente se está investigando a partir de ésta característica para poner electrodos en sitios como la ropa y que puedan monitorizar la actividad en todo momento.

Electrodos internos

Los que yo no voy a usar y que (casi) nadie quiere que le pongan. Son agujas, se introducen directamente donde quieres medir y llevan un cable para tomar la medida. La ventaja principal es que no tienes los efectos de la piel, y las desventajas las molestias que causan.

elecint

Además hay de otros tipos como electrodos para ECG fetal, donde hay un electrodo de anillo para la piel de la madre y otro pequeño interior que se clava  un poco en la piel. De esta forma podemos usar la señal del electrodo externo como referencia y ver la diferencia entre uno y otro, obteniendo la señal del feto.

Microelectrodos

Los investigadores no sólo se centran en tomar muestras de seres vivos completos, a veces se necesita ver el potencial de acción de una sola célula, una pequeña parte de tejido u órgano...

Pensaréis que es muy difícil pinchar una célula con una aguja, y sí, lo es. Pero lo hacen. En el mismo laboratorio donde se hacen las pruebas hay máquinas que crean electrodos en el acto, evitando tener que comprarlos y transportarlos, ya que con cualquier roce la punta de éstos, de micrometros de diámetro, se rompería.

Otra opción es meter la célula en una cápsula hueca donde hay electrolito, pero de todas formas nadie te libra de tener que pinchar la célula con un electrodo minúsculo:

micropip

 

Fuentes:

  • Medical instrumentation application and design - John G. Webster
  • Bioelectrónica - JM Ferrero
  • Bioelectrónica en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática, UPV - Gema Prats y Beatriz Trénor

Bioelectrónica: introducción y primeros puntos

Bienvenidos todos de nuevo.

Estoy abriendo un nuevo apartado que va a introducir a la bioelectrónica. La asignatura todavía no ha comenzado, pero mi trabajo de fin de grado va a tratar sobre la adquisición y adaptación de señales bioelectrónicas y tengo que adelantar trabajo, así que he estado estudiando por mi cuenta de un libro que me recomendaron llamado “Bioelectrónica” de JM Ferrero.

La cuestión es que voy a introducir todo lo que pueda o sepa, quizás me equivoco en algo, y luego modificaré sobre lo que ya tenía escrito.

Ahora las cosas van a ser muy teóricas, ya aviso de antemano: no querréis ver las ecuaciones que se extraen de todos los estudios. En algún momento las pondré, pero en principio solo las voy a mencionar. Comencemos de una vez.

Características de las señales bioelectrónicas

Para empezar, ya habréis deducido que las señales van a ser algo especiales. No es simple tomar la diferencia de potencial entre dos puntos que es creada por un conjunto de células haciendo un intercambio de iones con el medio, y que además se ha tenido que transmitir cierta distancia por el cuerpo. En la siguiente tabla se encuentran cuatro señales y sus características, amplitud y ancho de banda, además de la técnica que se suele usar para su captación:

tablabio

Los más usados vienen a ser los electrodos de superficie. Son placas metálicas que se ponen en contacto directo con la piel o a través de un gel conductor. También están los electrodos de aguja, que se insertan directamente en el tejido a estudiar, no tan agradables.

El problema de estas señales, como entenderéis, es que están muy contaminadas por interferencias. El cuerpo completo de un paciente es un conductor y tiende a captar todo lo que se le acerca, sobre todo el ruido de 50 Hz proveniente de la red. También interfieren otras señales bioeléctricas.

El siguiente problema es que en ocasiones no se puede usar filtros porque estos acaban deformando también la señal que queremos obtener. Para lograrlo, se diseñan nuevos circuitos específicos denominados bioamplificadores, que explicaré más adelante cuando tenga información sobre ellos.

¿Para qué sirve la bioelectrónica?

Si la introducción no os ha parecido muy alentadora, ahora vamos a ver algo bonito. Algunas de las aplicaciones de la bioelectrónica son:

  • El diagnóstico
  • La mejora de medios para el tratamiento
  • Creación de sistemas de ayuda funcional (como la sustitución de la función renal por ejemplo)
  • Creación de prótesis electrónicas
  • Y un nuevo campo que se está investigando, los biosensores, que serían capaces de registrar variables biológicas en todo el entorno.

Ahora volvamos a otro punto teórico antes de dejarlo por hoy.

Conducción eléctrica en fluidos del organismo

Hasta ahora nos hemos estado enfrentando a cálculos y aplicaciones donde los portadores de carga eran electrones. Esto simplificaba mucho las cosas porque tienen una carga fija y una velocidad casi próxima a la de la luz, lo que hace su transferencia casi instantánea. Siendo buenos ingenieros, despreciaremos lo de casi.

Ahora entramos en un campo donde los portadores de carga son iones hidratados, que tienen un peso y un volumen mucho mayores que los electrones. Además se mueven en un medio líquido que afecta a la movilidad.

Para hacerlo peor, los iones suelen ser positivos o negativos, hay una variedad importante de portadores que complica el estudio.

Por último, existen unos mecanismos de transporte activo que impulsan las partículas en sentidos contrarios al del potencial eléctrico (estos mecanismos serían como fuentes de alimentación).

Los dos mecanismos activos de transporte son:

  • La bomba de sodio: transfiere iones de dentro de la célula al medio extracelular
  • La bomba de potasio: transporta iones del medio extracelular al interior

En este medio que se presenta, las partículas tienen un movimiento caótico (aleatorio) a la vez que se transportan por difusión (un desplazamiento en dirección opuesta al gradiente de concentración, es decir, tienden a estar menos concentradas)

Por ello se define el siguiente concepto, el potencial de equilibrio: es una diferencia de potencial que cuando se aplica entre dos medios frena la difusión de un determinado ion. Se puede calcular teóricamente pero los resultados experimentales no dan lo mismo, debido a los medios de transporte activo que cambian la concentración de los iones.

Veremos la importancia de esto más adelante.