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