Electrodos para biopotenciales: teoría electroquímica y modelos eléctricos núcleo de ingeniería biomédica facultades de ingeniería y medicina universidad de la república

Electrodos para biopotenciales: teoría electroquímica y modelos eléctricos Objetivos de la clase: Entender el principio electro-químico de funcionamiento de los electrodos de biopotenciales Dar un modelo equivalente eléctrico Estudio cualitativo de fuentes de ruido y distorsión Entender cómo utilizar el modelo para tomar criterios de diseño de amplificadores de señales biológicas

Introducción ELECTRODOS Las corrientes generadas por biopotenciales son de origen iónico. Los equipos de medida funcionan mediante corrientes electrónicas. Es necesario un elemento de transducción entre corrientes iónicas y electrónicas El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano. ELECTRODOS

Interfase Electrodo-Electrolito Electrolito – Contiene iones libres, se comporta como conductor eléctrico. Consisten de iones en solución: soluciones iónicas. Electrodo – Conductor en contacto con parte no metálica de un circuito. Ej: semiconductor, electrolito, vacío, gas, etc. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano. Se habla de par Electrodo-Electrolito cuando: El electrolito contiene iones del material del cual está construido el electrodo.

Interfase Electrodo-Electrolito El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Potencial Semi-Celda o “Half-cell potential” Cuando el electrodo entra en contacto con el electrolito, comienza la reacción: La concentración local de cationes en la interfase cambia, perdiéndose la neutralidad de carga. El electrolito en la región está a un potencial eléctrico diferente al resto: “Half-cell potential” El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Potencial Semi-Celda o “Half-cell potential” Potencial determinado por la naturaleza del metal involucrado, la concentración de sus iones en solución y la temperatura. Los potenciales semi-celda de electrodos se miden respecto al del electrodo de hidrógeno definido igual a cero. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Polarización Al circular corriente entre el electrodo y el electrolito, el potencial semi-celda varía: Sobrevoltaje ohmnico (Vr): Es el resultado directo de la resistencia del electrolito. Sobrepotencial de concentración (Vc): Resulta de los cambios en la distribución de iones en el electrolito en la vecindad de la interfase electrodo-electrolito. Sobrevoltaje de activación (Va): Dada por la barrera que hay que vencer para que ocurra la oxidación o reducción. Gobierna la cinética de la reacción. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Electrodos polarizables y no polarizables Perfectamente polarizables: ninguna carga cruza la interfase. Se comportan como un capacitor. Perfectamente no polarizables: la corriente pasa libremente a través de la interfase, sin requerimientos de energía para llevar a cabo la transición. No presentan sobrevoltajes. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Electrodo Metal/Sal-insoluble Consiste en un metal en contacto con una sal insoluble del mismo, que a su vez está en contacto con una solución, que contiene el anión de la sal. Ejemplo: Ag/AgCl(S)/Cl- El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Electrodo Ag/AgCl Electrodo práctico con características de electrodo no polarizable. Metal (Ag) cubierto con una capa delgada de un compuesto iónico (AgCl). Toda la estructura es inmersa en un electrolito que contiene el anión (Cl-) en concentraciones altas (3,5 M). El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Electrodo Ag/AgCl El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Comportamiento y modelos circuitales Resultados empíricos: No lineales Dependientes de frecuencia Dependientes de densidad de carga Componente reactiva Componente resistiva ( > bajas frecuencias)‏ Schwan(1963), Geddes(1972), Cobbold(1974), Ferris(1974)‏ El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Comportamiento y modelos circuitales Existe una fuente de tensión semi-celda. Salvo en bajas frecuencias, el modelo se aproxima a serie de C+R. La C debido a la distribución de cargas en la interfase. La R debido a la resistencia del electrolito luego de la distribución de cargas. A bajas frecuencias, se observa una impedancia FINITA (en DC). Se agrega una resistencia en paralelo al C. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Modelo equivalente eléctrico simple Ecell es el potencial de semi-celda Rd y Cd impedancia asociada con la interfase electrodo-electrolito Rs resistencia debido al electrolito y al alambre conector del electrodo. El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Respuesta en frecuencia El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano. En electrodos Ag/AgCl descartables, la impedancia típica está en el orden de 1 kW a 10 Hz Al diseñar un amplificador se suele tomar en cuenta valores de hasta 500 kW a 10 Hz

Interfase Electrodo-Piel Existe una interfase con la piel. Piel = 3 capas: Epidermis Dermis Capa subcutánea Epidermis – Mayor Impedancia Estrato córneo (células muertas) Estrato granuloso Estrato basal (donde nacen nuevas células) Se elimina el Estrato córneo con limpieza adecuada El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Interfase Electrodo-Piel El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano. La impedancia de la piel varía entre: 200 kW a 1 Hz y 200 W a 1 MHz

Tabla de impedancias de todo el conexionado El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano. Fuente: Treo, E et al - “Efecto del gel y limpieza en la impedancia electrodo-piel en registros de superficie”, Congreso Argentino de Bio-Ingeniería, Octubre 2009

Ruido por movimiento Se mueve el electrodo => Cambia distribución de cargas en interfase E-E Cambia distrib. Cargas E-E => Ruido alto (algunos mV) Ruido alto => Se pierde la señal de interés Se pierde la señal => Chau paciente Electrodos no polarizados + Gel suficiente => reduce significativamente el Ruido por Movimiento El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Ruido por movimiento Aumento de superficie de contacto Electrodo- Electrolito(gel)-Piel => Disminución de Ruido por Movim. Electrodos de placa grandes Electrodos de succión Electrodos flexibles Electrodos percutáneos El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Tipos de electrodos El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Tipos de electrodos El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Tipos de electrodos El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Ejercicios Dar un modelo equivalente eléctrico del sistema PACIENTE-ELECTRODOS-Amp.ECG como el usado en la práctica 1. ¿Habrá un efecto importante en la señal de ECG? ¿Qué pasa si se desea utilizar para señales de EMG (50 Hz ~ 3 kHz)? Suponiendo una impedancia de entrada resistiva en el amplificador de instrumentación. ¿Cómo podría lograrse una transferencia independiente de la frecuencia? El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Ejercicios ¿Cómo variaría la impedancia de un electrodo metálico a medida que se va secando el gel electrolítico de contacto? ¿Cómo se representa en el modelo equivalente eléctrico? ¿Cómo afecta al CMRR del sistema? ¿Qué característica de los amplificadores de entrada minimizaría la disminución del CMRR? El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Conceptos importantes Necesidad de transducción de corrientes iónicas a electrónicas Principio electro-químico de interfase Electrodo-Electrolito Potencial de semi-celda. Definición de Potencial 0 en electrodo de Hidrógeno Electrodos polarizables y no polarizables Electrodo Metal/Sal-insoluble (ej. Ag/AgCl) Características no lineales de la impedancia Modelo equivalente eléctrico simple (valores típicos) Interfase Electrodo-Electrolito-Piel Ruido y distorsión por movimiento Tipos de electrodos Aplicación al diseño de amplificadores de señales biológicas El músculo esquelético se compone de numerosas células musculares. La excitación de estas células generan mediante mecanismos químicos la contracción o distencsión de los músculos. En organismos complejos existen dos sistemas para la integración de información y generación de respuestas: Sistema Endócrino: que envía las órdenes a través de hormonas que inyecta a la sangre, generando respuestas en los órganos (por ej: corazón). Acción difusa y lenta. Sistema Nervioso: que envía órdenes a través de las redes neuronales o vías nerviosas, dirigidas directamente a cada órgano.

Referencias Webster, J - "Medical Instrumentation. Application and design", 3ra ed, JW&S, 1998, Capítulo 5 Treo, E et al - “Efecto del gel y limpieza en la impedancia electrodo-piel en registros de superficie”, Congreso Argentino de Bio-Ingeniería, Octubre 2009