Este documento trata sobre sensores y transductores biomédicos. Explica que los sensores biomédicos miden variables fisiológicas y se clasifican en físicos, eléctricos y químicos. También describe varios tipos de sensores como los biosensores, sensores de biopotenciales, sensores de desplazamiento y sensores de temperatura, detallando sus principios de funcionamiento y aplicaciones.
2. Introducción
• Los sensores biomédicos son usados de forma rutinaria
en la medicina y en el campo de la investigación
biológica, con la finalidad de medir una gran variedad de
variables fisiológicas.
• Por lo general son llamados de transductores biomédicos
• El desarrollo de sensores biomédicos es de las áreas con
mayor crecimiento en la industria médica y está
impulsado por dos tendencias muy fuertes:
▫ El deseo del paciente y del médico para hacer diagnósticos
de forma instantánea
▫ El deseo de hacer pruebas de diagnóstico no solo en centros
de laboratorios clínicos si no en el centro de atención donde
está el paciente
3. Sensores y transductores
• A transducer is a devices that converts one kind
of energy into another kind of energy.
• A sensor converts a physical parameter (input)
into an electric output.
• An actuator converts an electrical energy into a
physical output (e.g. motors).
4. Clasificación
• Por lo general son clasificados en relación a la
cantidad a ser medida y típicamente son
categorizados como físicos, eléctricos y químicos
dependiendo específicamente de su aplicación
• Los biosensores, poseen dos componentes
distintivos:
▫ Un elemento de reconocimiento biológico
▫ Una estructura de soporte, que a su ve actúa como
transductor
6. Medición de Biopotenciales
• La Medición de biopotenciales usa una gran
variedad de electrodos
• La función de estos electrodos es acoplar los
potenciales iónicos generados en el cuerpo
humano a un instrumento electrónico
• Estos electrodos son clasificados como no-
invasivos (superficiales) o invasivos
(microelectrodos)
7. Interface electrolito/metal
• Cuando un metal es colocado en una solución
electrolítica, se crea una distribución de cargas
en la superficie de la interface
• Esta distribución de cargas causa una diferencia
de potencial (half cell potential)
• Tipos de electrodos:
▫ ECG
▫ EMG
▫ EEG
▫ Microelectrodos
9. ECG
• Los electrodos vistos en la diapositiva anterior
son los más comunes y tienen una composición
de Ag/AgCl (plata/plata cloruro) lo que les da un
buen contacto eléctrico con la piel.
11. • Para la grabación de señales eléctricas de
nervios y fibras musculares existen una variedad
de agujas percutáneas existen dos
configuraciones:
▫ Bipolar
▫ Unipolar
15. Potenciómetros
• Los potenciómetros convencionales pueden
utilizarse para medidas de desplazamiento. Así
la resistencia varía de acuerdo a la posición del
cursor. Los potenciómetros son instrumentos de
orden cero, es decir no siguen un
comportamiento de acuerdo a ninguna ecuación
diferencial
16. Potenciómetros
• R=(1−β)Rt
• Donde Rt es la resistencia total, β depende de la
posición del cursor del potenciómetro, y en base
a este número (que está entre 0 y 1) se obtiene
una resistencia R efectiva del potenciómetro
18. Tipos
• Existen 2 tipos básicos de potenciómetros:
rotacionales y traslacionales. Los rotacionales
pueden ser de espira simple o múltiples espiras.
Y un segundo tipo lo constituyen los
potenciómetros traslacionales donde el
desplazamiento es lineal.
20. Características
• Los potenciómetros se pueden alimentar con AC o DC.
Producen una salida lineal al desplazamiento y la
resolución depende de su construcción interna. Algunos
usan películas de carbón; bobinados sobre cerámica con
Níquel y Cobre; y otros usan partículas metálicas
depositadas de materiales preciosos como oro y plata.
Los potenciómetros son usados muy poco como
sensores, aún cuando tienen algunas ventajas como el
requerir una señal análoga para control, información de
posición absoluta y son de bajo costo. Sin embargo son
muy sensibles a la temperatura generalmente y se
afectan fácilmente en ambientes húmedos o con mucho
polvo.
21. Pros y contras de los potenciómetros
• Pros:
▫ Requieren una señal análoga para control
▫ Requieren información de posición absoluta
▫ Bajo costo
• Contras:
▫ Sensibles a la temperatura (variación)
▫ No sirven para ambientes húmedos o con mucho
polvo
22. Strain gauges (Galgas extensiométricas)
• Miden desplazamiento de hasta ± 1 mm/m
• Pequeñas y livianas
• Buena respuesta a altas frecuencias
• Amplio rango de respuesta lineal
• Calibración estable
• Flexibles para usar
• Bajo costo
24. Circuitos en puente
Diagrama del puente de Wheastone. Se conocen 3 valores de resistencias y una
cuarta es desconocida, si el puente está balanceado no hay paso de corriente
por el voltímetro.
25. Transductores Inductivos
• Los transductores de desplazamiento inductivos está
basados en su factor de inductancia L dado por:
L = n2 x G x μ
G es una constante geométrica
n es el número de vueltas de la bobina
μ es la permeabilidad del medio magnético dentro de la
bobina.
▫ Los más comunes son los LVDT (linear variable
differential transformer)
▫ Ejemplos de aplicación: medición de cambios en
dimensiones de órganos internos
26. LVDT – Diagrama eléctrico
Los sensores inductivos usan un núcleo variable para generar cambios en la
inductancia, tal como se muestra en la figura
28. LVDT
• Comercialmente es posible obtener LVDT de
pequeño tamaño y de una buena eficiencia, lo
que los hace idóneos para la medición de
eventos fisiológicos. Los LDVT son
relativamente insensibles a la temperatura y
tienen una buena respuesta para cambios
rápidos (altas frecuencias). De otro lado poseen
un alto rango de linealidad, una sensibilidad de
0.5 a 2 mV para un desplazamiento de 0.001
mm/V.
29. Sensores capacitivos
• Se basan en la variación de capacitancia de un
condensador al desplazarse una de sus placas
por la aplicación de presión
30. Sensores capacitivos
• Pequeño tamaño y construcción robusta, tienen
un pequeño desplazamiento volumétrico
• Señal de salida es débil por lo que necesitan de
amplificadores con el riesgo de introducir
errores en la medición
• Son sensible a variaciones de temperatura
• Utilizados para medir presión sanguínea,
presión plantar y otros
33. Sensores de temperatura
• Qué es la temperatura en sistema fisiológico?
▫ Es el equilibrio entre mecanismos de producción
de calor y mecanismos de enfriamiento, bajo
regulación de centros nerviosos
termorreguladores hipotalámicos.
• La temperatura normal es de 37°C (±0.3°C)
• Puede medirse mediante un termómetro de
mercurio introducido en la cavidad rectal, en la
boca o en la axila, en cuyo caso la medida es
menos precisa.
34. Fisiología de la temperatura
• Termogénesis, es el producto del metabolismo
celular
• Termólisis, es la sudoración y la vasodilatación
• Termorregulación, equilibra la termogénesis y la
termólisis
35. Mediciones de temperatura
• Baja temperatura
▫ Pacientes en shock
▫ Anestesia
▫ Hipotermia inducida en cirugías
▫ Reduce el metabolismo
36. Mediciones de temperatura
• Alta temperatura
▫ Infecciones (fiebre), desnaturaliza enzimas y
proteínas
▫ Inflamación
▫ Artritis
• Otros
▫ Incubadoras
37. Medición de temperatura
• La medición de la temperatura se afecta
enormemente por factores ambientales y
métodos de medición.
• Controlar temperatura es complicado
• Métodos:
▫ Termocuplas (Termopares)
▫ Termo-resistores
▫ Detectores de radiación
▫ Detectores ópticos
38. Las termocuplas
• Consisten en la unión de dos materiales (metales
comúnmente) unidos en un extremo y producen
un pequeño y único voltaje según la
temperatura. Este voltaje se interpreta de
acuerdo a una tabla de calibración.
