Notas de Clase: Bases Físicas del Registro y Medida de Señales Biológicas PDF

Para una mejor comprensión de estos temas relacionados con la señal biológica conviene recordar una serie de conceptos relacionados con electricidad y electrónica. Los dispositivos de los que vamos a hablar, se van a emplear en la construcción de los diferentes elementos que va a intervenir en una...

Para una mejor comprensión de estos temas relacionados con la señal biológica conviene recordar una serie de conceptos relacionados con electricidad y electrónica. Los dispositivos de los que vamos a hablar, se van a emplear en la construcción de los diferentes elementos que va a intervenir en una cadena de medida de la señal biológica. 1 Elementos pasivos. Aquellos que disipan energía: resistencia, autoinducción (bobina) y condensador. Resistencia. Es una propiedad eléctrica de los cuerpos. Fenómeno que hace que la corriente eléctrica, al pasar por un conductor e interaccionar con las moléculas de éste, pierda parte de su energía. Es un concepto equivalente al rozamiento, directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a la sección del conductor. La unidad es el Ohmio. Capacidad (condensador). Propiedad de los cuerpos que indica su capacidad de almacenamiento de carga eléctrica, la relación entre la carga eléctrica almacenada en un cuerpo y el potencial al que se encuentra. Indica la carga eléctrica que puede almacenar ese cuerpo. Su unidad es el Faradio: culombio/voltio. Autoinducción (bobina). O fenómeno de inducción electromagnética. Propiedad de los cuerpos por la que presentan inercia a las variaciones de corriente eléctrica a su través. Al pasar una corriente por un cuerpo, aparece en el mismo otra (corriente autoinducida), que se opone a la variación de la corriente primitiva. Si la corriente aumenta de intensidad, la corriente autoinducida se opone a este aumento, posee sentido contrario, mientras que si la corriente primitiva disminuye, la corriente autoinducida posee el mismo sentido. La unidad es el henrio: voltio.segundo/amperio Elementos activos. Son aquellos que pueden producir energía eléctrica. Estos sistemas se conocen como generadores. Desde el punto de vista energético los generadores transforman en energía eléctrica otros tipos de energía. 2 Electrónica. De una manera sencilla, la podemos definir como una rama de la Física que estudia el movimiento de los electrones y otras partículas cargadas en el vacío o en un semiconductor, pudiendo hablar entonces de electrónica de estado gaseoso o de electrónica de estado sólido. Elementos y dispositivos electrónicos básicos. Diodo. Triodo. Transistor. 3 Diodo. Puede considerarse un elemento pasivo, por tratarse de una resistencia eléctrica no lineal. Clásico: diodo de vacío, consiste en dos electrodos, un ánodo o placa y un cátodo, situados en el interior de una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío. El cátodo se calienta emitiendo electrones (efecto Edison), que quedan en su proximidad. Si el ánodo se conecta a un potencial positivo, los electrones de la nube formada son atraídos. Se establece una corriente. Si, por el contrario, se conecta a un potencial negativo son repelidos por el ánodo y tienden a reintegrarse al cátodo. Se impide el paso de corriente. Funcionan como un todo o nada. 4 Triodo. Tanto el triodo como los transistores pueden ser considerados elementos activos, porque pueden producir más energía eléctrica de un determinado tipo de la que consumen, por ejemplo, un transistor puede consumir menos energía eléctrica en forma de corriente variable que la que puede llegar a producir. El triodo se diferencia del diodo en que se introduce un tercer electrodo, la rejilla (malla o reja), entre el ánodo y el cátodo. Si la rejilla no se conecta a ningún potencial, se comporta igual que un diodo. Si la rejilla se hace positiva con respecto al cátodo, los electrones son atraídos por el ánodo y la rejilla. La mayor parte son captados por la rejilla y aquellos que la sobrepasan llegan al ánodo, estableciendo una corriente cátodo‐placa. El triodo está funcionando en situación de “saturación”. Si la rejilla se hace muy negativa con respecto al cátodo, repele a los electrones y prácticamente ninguno llega al ánodo ni a la rejilla. No circula corriente, el triodo se encuentra “en corte”. Si es negativa pero no tanto como para situarlo en corte, la rejilla entorpece la circulación de electrones, pero no llega a bloquearla: “zona de trabajo”. El hecho de que en el triodo se pueda inducir una intensidad placa‐cátodo sin que exista intensidad rejilla cátodo tiene gran importancia ya que, por ello, el triodo puede ser empleado como elemento amplificador de tensión. También se pueden emplear para detectar corrientes de alta frecuencia o para la producción de ondas entretenidas. 5 Hasta aquí hemos hablado de lo que se conoce como electrónica de estado gaseoso. A partir de aquí empezamos a hablar de la conocida como electrónica de estado sólido. Semiconductores. Entendemos por semiconductores aquellos elementos que se caracterizan por tener una resistividad  con un valor intermedio entre el de los conductores y los aislantes o, de otra forma, a aquellos cuya conductividad eléctrica  (inversa de la resistividad) es intermedia entre los conductores y los aislantes, además de que esta conductividad aumenta con la temperatura y, a veces, de forma importante, cosa que no ocurre con los conductores (por esto se pueden emplear como transductores de temperatura, por ejemplo “termistores”). Los semiconductores más empleados son el germanio y el silicio, ambos tetravalentes, uniéndose sus átomos entre sí a través de enlaces covalentes, compartiendo los 4 electrones, disponiendo así cada átomo de un octete de electrones en su capa más externa. 6 Si los electrones de valencia estuvieran libres, al aplicar un campo eléctrico éstos se moverían con facilidad (conductores) pero, a temperatura ambiente y en condiciones normales, los electrones no tienen energía suficiente para romper el enlace. Si el electrón adquiere la energía necesaria se rompe el enlace covalente y el electrón queda libre, facilitándose la conducción eléctrica. A la ausencia de electrón se le denomina hueco y al proceso de liberación de electrones y formación de huecos, generación de pares electrón‐hueco. Al aumentar la temperatura y, por tanto aumentar la energía de los electrones, se pueden romper los enlaces covalentes y quedar éstos libres. Por ello los semiconductores reducen su resistividad al aumentar la temperatura. Lo que ocurre es que un electrón pasa de la banda de energía más interna (banda de valencia) a una nueva banda, más energética (banda de conducción), quedándose un hueco en la banda de valencia. En un semiconductor intrínseco, al llevarse a cabo el proceso de generación de par, el número de electrones y huecos es el mismo. El proceso de excitación significa un aumento de energía del electrón, pero este estado no es indefinido, el electrón tenderá siempre a tener el menor nivel de energía, volviendo a la banda de valencia, desapareciendo el hueco en el proceso de recombinación. Al tiempo que pasa desde la excitación hasta la recombinación, se conoce como tiempo de vida media de ese semiconductor. 7 Tanto el germanio como el silicio son semiconductores intrínsecos, poseen propiedades semiconductoras sin necesidad de añadirles ningún tipo de impurezas. Las impurezas que se le pueden añadir a estos elementos son en proporción muy pequeña (1 átomo por 107 de semiconductor), diciéndose que el semiconductor se ha dopado, modificándose así de forma importante sus propiedades eléctricas. Si a uno de estos elementos se le dopa con otro pentavalente (arsénico As, antimonio Sb, o fósforo P), se formarán enlaces covalentes, pero quedará un electrón libre, con lo que aumentará la conductividad del semiconductor. En este caso se dice que el átomo de impureza es “donador”. Como en este semiconductor la conducción se realiza mediante electrones, que son cargas negativas, se dice que es tipo “n” (inicial negativo). Si se añaden impurezas trivalentes (galio, aluminio o boro) estos átomos tenderán a captar electrones de sus átomos vecinos, que se quedarán con un hueco, que a su vez rellenará con otro electrón de otro átomo vecino y así sucesivamente. Así el hueco se desplazará de una zona a otra del semiconductor, aumentando así su conductividad. El átomo de impureza se denomina aceptor o impureza aceptora, hablando entonces de semiconductores tipo “p” de positivo. 8 La unión de dos semiconductores de distinto tipo presenta propiedades eléctricas típicas de un diodo, comportándose el lado “p” como el ánodo y el lado “n” como el cátodo. Un diodo semiconductor está constituido por una mitad dopada por un elemento aceptor (semiconductor P) y otra por un elemento donador (N). La corriente atraviesa el diodo mucho más fácilmente cuando está polarizado por una corriente externa en sentido directo p‐n. 9 Transistor. El transistor es un elemento construido a base de material semiconductor que funciona como una válvula triodo. Los transistores pueden ser PNP o NPN. A las láminas laterales se les denomina emisor a una y colector a otra. La lámina central es la base. La base es más estrecha que las otras y se encuentra poco dopada, mientras que las láminas laterales se encuentran fuertemente dopadas. Colector y emisor son llevados a un potencial eléctrico diferente, están polarizados de manera diferente. Aunque el comportamiento íntimo de un transistor es diferente al del triodo, al intercalarlo en un circuito electrónico el funcionamiento es prácticamente el mismo, pudiendo funcionar en corte (sin intensidad base‐emisor ni colector‐emisor), en saturación (con ambas intensidades muy fuertes), o en zona de trabajo (la intensidad del colector es mayor que la de la base y proporcional a ésta). Las funciones básicas son de amplificación y conmutación, aunque también participan en la generación de oscilaciones y señales diversas. 10 Los elementos electrónicos construidos a base de semiconductores también se conocen como de estado sólido (la corriente circula a través de materiales sólidos en vez de a través del vacío como ocurre en las válvulas electrónicas). Los elementos de estado sólido presentan ventajas sobre las válvulas de vacío, algunas de las mismas expuestas en la diapositiva. 11 Las variables biológicas se definen como las magnitudes físico‐químicas (propiedades de los cuerpos que pueden ser medidas) que se emplean en el estudio de las estructuras y función de los seres vivos. Para poder medir una magnitud física, ésta debe ocasionar una cierta señal, habitualmente variable, generalmente en forma de variación de energía. A partir de esta señal podemos extraer información sobre el sistema biológico que queremos analizar. 12 Existen instrumentos para realizar la medida de casi todas estas magnitudes y éstos, en la mayoría de los casos, constan de tres unidades: un sistema de recogida de la señal, un sistema de acondicionamiento de la señal y un sistema de representación (“medidor”). 13 Estas variables se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios, por ejemplo, desde el punto de vista instrumental, en eléctricas y no eléctricas. Según sus modificaciones con respecto al tiempo, podemos hablar de estáticas y dinámicas, pero, en las Ciencias de la Salud, se suelen clasificar en morfológicas, aquellas que derivan del estudio morfológico del organismo o de los órganos, objetivables mediante simple observación o el empleo, por ejemplo, de RX, ultrasonidos o radioisótopos y fisiológicas, aquellas que derivan del funcionalismo del organismo, sistema cardiovascular, aparato respiratorio, etc. (medidas de gases, de líquidos o potenciales eléctricos biológicos). 14 Al efectuar la medida, los aparatos correspondientes a cada una de las etapas quedan conectados unos a otros formando una cadena de medida. Esta cadena de medida podrá ser diferente dependiendo de la variable a medir, el proceso empleado, etc. 15 Así el primer paso en el proceso de medida de una variable biológica es su recogida, de forma directa, mediante un electrodo (eléctrica) o un transductor (aparato que permite modificar la naturaleza de una señal no eléctrica para poder medirla más fácilmente). los transductores, los podemos definir como “elementos sensibles a determinadas magnitudes físicas o químicas que son capaces de transformarlas en otras magnitudes diferentes” (ejemplo termómetros). Así, las variables biológicas pueden ser transferidas a sistemas de registro (eléctrico o no eléctrico). La mayor parte de estos sistemas de registro que se utilizan en medicina o biología son eléctricos, traducen la variable recogida, de naturaleza no eléctrica, en una de naturaleza eléctrica, en forma de variaciones de intensidad de tensión o de impedancia (pueden entenderse como convertidores). 16 Tipos según la magnitud a medir. Ejemplos: De temperatura. Termómetro de mercurio: la masa de mercurio varía linealmente con la temperatura. Transforman la energía interna, temperatura, en dilatación mecánica. De resistencia: se basan en la variación de la resistencia eléctrica de los cuerpos, normalmente metales en función de la temperatura. El termistor en vez de utilizar metales utiliza un semiconductor. De presión. También, denominados manómetros, funcionan normalmente midiendo dos presiones. Una de ellas suele ser la atmosférica, que se utiliza como referencia (760 mmHg.) y la que se pretende medir, variables biológicas constituidas por las presiones de los diferentes fluidos orgánicos (aire pulmonar, sangre, orina, LCR, etc.). estos serían los manómetros de presión relativa. También podemos hablar de los de presión absoluta, que miden la presión con respecto a “0” y de los de presión diferencial, que comparan dos presiones diferentes de la atmosférica. 17 Estáticas: Rango. Valores extremos de la variable a medir. Calibración. Relación entre la entrada y la salida en cada punto. Sensibilidad. Relación entre la variación de entrada y la de salida Resolución. Mayor cambio que puede darse en la entrada sin que se produzca cambio en la salida. Umbral. Valor mínimo a partir del cual el transductor genera una señal constante. Estabilidad. Constancia en la calibración. 18 El transductor o electrodo y la red acondicionadora son la fuente de señal de la cadena de medida. Las operaciones de manipulación que se ejercen sobre la señal de salida del transductor se conocen como acondicionamiento de la señal, que incluye lo necesario para adaptar la fuente de la señal al resto de la cadena de medida: filtrado, amplificación, aumento de la relación señal ruido, separación de señales, modulación y demodulación,... 19 Al realizar una captación de una señal mediante transductores o electrodos es frecuente que la señal obtenida presente diferencias respecto a la señal original, debido a la presencia de interferencias. En casi todas las ocasiones, las señales que nos interesan y queremos acondicionar se acompañan de señales parásitas que, de forma genérica se conocen como ruido. 20 Si se dispone de una señal a la salida de un transductor o un electrodo con una respuesta en frecuencia determinada, ésta se puede someter a diferentes tipos de filtro incluidos dentro de lo que se conoce como filtrado clásico: De banda ancha. Amplifican señales de diferentes frecuencias en las que los problemas de ruidos no sean importantes, ya que el ruido aumenta mucho con el ancho de banda. De banda estrecha o pasante o pasa‐banda. Los anteriores no pretenden limitar las frecuencias a amplificar, mientras que éstos sí lo pretenden. Filtran las señales que no se encuentran en el margen determinado. De rechazo de banda: dejan pasar todas las frecuencias excepto las contenidas en una determinada banda. De paso alto. Presentan una frecuencia crítica, presentando una ganancia mayor las frecuencias por encima de ésta que las menores. Elimina las frecuencias por debajo del corte. De paso bajo. Su comportamiento es el inverso. 21 Debido a que las señales eléctricas recogidas del organismo u obtenidas por transducción de otras señales biológicas, en la mayoría de las ocasiones, son de muy baja potencia, es necesario incluir en la cadena de medida un sistema que aumente la potencia de la señal, los amplificadores. Estos sistemas reciben una tensión y una intensidad y, partiendo de ellas, proporcionan una tensión y una intensidad que cumplan: Que la tensión o la intensidad de salida sean proporcionales a la tensión o a la intensidad de la entrada. Que la potencia suministrada en la salida sea mayor que la consumida en la entrada. También se incluyen dentro de los amplificadores otros dispositivos que no cumplen estrictamente estas premisas: cuando la tensión de salida es inferior a la de entrada al amplificar, al amplificador se le conoce como atenuador y si la tensión de entrada y la de salida poseen siempre diferente signo y los valores máximo de uno corresponden con los valores mínimos del otro y viceversa, se habla de inversor. Al módulo de la función de transferencia del amplificador se conoce como ganancia (relación entre la señal de salida y la de entrada), ganancia que puede ser positiva o negativa (inversores). La razón señal ruido es el cociente entre la amplitud de la señal ausente de ruido y la amplitud del ruido que la acompaña (ruido externo que acompaña a la señal y ruido producido por el propio amplificador). En los amplificadores se mide en decibelios. Esta razón de ruido será menor cuanto mayor sea la ganancia del primer amplificador y menor su razón de ruido (preamplificador). 22