Medición de biopotenciales (Polígrafo Grass)

Objetivos
Medición de biopotenciales (Polígrafo Grass)
Marco Teórico
Guía 6
– Concebir el concepto de medición diferencial en la medición de
biopotenciales
– Conocer el funcionamiento del Polígrafo Grass
– Emplear el Polígrafo Grass para la adquisición y registro de biopotenciales
– Medir diferentes parámetros característicos de las señales
electrocardiográficas haciendo uso de un registro hecho con el Polígrafo
Grass.
POTENCIALES BIOELÉCTRICOS
Facultad: Ingeniería.
Escuela: Biomédica
Asignatura: Bioinstrumentación I
El modulo 7P5 del Polígrafo GRASSS, cuenta con un amplio rango de frecuencias
de operación que va desde los 0.15 a los 75 Hz en el estilete, y en el Terminal J6
del Amplificador del Manejador, hasta los 20 KHz. Este módulo permite una
selección amplia de constantes de tiempo acordes a diferentes aplicaciones en el
registro de diferentes aplicaciones fisiológicas. La sensibilidad también cubre un
rango bastante amplio que va desde los 15 mV/cm a los 20 µV/cm en los estiletes.
El módulo 7P5 puede ser utilizado, entre muchas cosas, para registrar potenciales
bioeléctricos, tales como los de Electrocardiografía, Electroencefalografía, y
Electromiografía. Sin embargo, la versatilidad de los controles y el alto rendimiento
del 7P5 en conjunto con el Amplificador del Manejador permiten el uso, igualmente
versátil, como amplificador fisiológico general para el monitoreo por medio de un
Osciloscopio, de señales con frecuencias más altas que las de respuesta de los
estiletes.
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Niveles de señal y ruido
El ruido en un sistema de amplificación bioeléctrico depende de:
- Impedancia del electrodo
- Naturaleza del electrodo
- Sensibilidad seleccionada
- Ancho de banda
- Dispositivo de amplificación
- Ganancia de la primera etapa
- Métodos de control de la sensibilidad
- Interferencia de 60 Hz
- Fuente de poder
Guía 6
El equipo ha sido diseñado para reducir el ruido producido por el mismo equipo al
mínimo, es por ello que en muchos casos, el ruido producido por el electrodo y la
actividad del sujeto será mucho mas grande que el ruido del amplificador. El ruido
en el estilete, referido a la entrada es en promedio menor de 2 µVp-p.
CONTROLES DEL PANEL FRONTAL DEL 7P5
Receptáculo de entrada y cable.
El receptáculo que se identifica como IN en la esquina inferior izquierda del panel
frontal, es del conector hembra del cable de entrada. Los pines numerados del 1 al
5 se corresponden con las posiciones marcadas del 1 a 5 en el selector de entrada
(INPUT SELECTOR). El pin 6 es un circuito de tierra.
Interruptores de selección de entrada
Los selectores de electrodo de entrada de cinco posiciones, etiquetados como G1
y G2, seleccionan el par de electrodos que serán usados para el registro. Los
números en estos interruptores se corresponden con el número de que se
encuentra en el cable de entrada. Así, para registrar la señal entre los electrodos 1
y 3, hace falta únicamente posicionar el interruptor G1 en 1 y el interruptor G2 en
3.
Interruptor CAL-USE-CAL
El interruptor CAL-USE-CAL selecciona la función que desarrollará el 7P5. Las
posiciones CAL a la izquierda, proveen voltajes de calibración que van desde los 5
hasta los 50 µV (dentro de los rangos estándar de calibración para un EEG).
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Guía 6
Las posiciones CAL a la derecha proveen voltajes de calibración mayores de 0.5 y
5 mV para otras aplicaciones. Una vez que el 7P5 ha sido calibrado y la entrada
ha sido conectada, gire el interruptor CAL-USE-CAL a la posición USE para iniciar
el registro.
Interruptor CAL G1 Neg
El interruptor etiquetado como CAL G1 NEG produce la señal de calibración real,
una vez el valor de esta señal ha sido seleccionada con el interruptor CAL-USE-
CAL. Para activar este botón, hace falta en primer lugar oprimirlo, y luego, cuando
este se libera, se aplica una señal de calibración negativa a G1 con respecto a G2,
haciendo que el estilete una deflexione hacia abajo. Debe permitirse que el estilete
regrese a su línea base entre sucesivas deflexiones, de lo contrario puede resultar
que la calibración sea incorrecta. Los voltajes de calibración se derivan de un
circuito regulado y presentan una exactitud ± 2%.
Clavija EXT. CAL. 1.7 V RMS
Para la calibración a partir de un generador de funciones u oscilador, se ha de
conectar la salida del generador externo a la clavija EXT. CAL. 1.7 V RMS. Se
pueden conectar ondas seno o cuadradas a esta clavija, con valores de 1.7 voltios
RMS o 4.89 Voltios pico a pico. Cuando lo anterior ha sido desarrollado, pueden
seleccionarse los voltajes de 5 y 50 µV , 0.5 y 5 mV , mediante el interruptor CAL-
USE-CAL.
Clavija CAL TEST
Las clavijas etiquetadas CAL TEST, permiten chequeos regulares del voltaje de
calibración.
Interruptor ½ AMP LOW FREQ-TIME CONSTANT
La respuesta en baja frecuencia del Amplificador de Manejador y del estilete
puede ser ajustada por medio de un interruptor de cinco posiciones etiquetado ½
AMP LOW FREQ. La respuesta en frecuencia de amplitud media se define como
la frecuencia a la cual la señal de salida se reduce a una mitad de la amplitud (-
6dB) que se obtiene cuando la respuesta es máxima.
Se pueden seleccionar las siguientes frecuencias de amplitud media: 0.15, 0.30,
0.3, 1 , 3 y 10 Hz.. Estas frecuencias se corresponden a constantes de tiempo de
decaimiento de 0.45, 0.254, 0.1, 0.04 y 0.015 segundos respectivamente y se
encuentran a la vez etiquetadas en la parte baja del interruptor ½ AMP LOW
FREQ.
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Guía 6
Es práctica común registrar el EEG con este interruptor en la posición de 1 Hz, sin
embargo, la reproducción más exacta de la actividad lenta (menor a 2 Hz) se logra
por medio del uso de la posición de 0.3 Hz. Ocasionalmente, los artefactos de baja
frecuencia pueden interferir con este. La posición de 0.15 Hz se recomienda para
ECG y las posiciones de 3 Hz y 10 Hz para EMG y otros fenómenos más rápidos.
Este interruptor trabaja conjuntamente con el control ½ AMP HIGH FREQ ubicado
en el Amplificador de Manejador 7DA.
Este control atenúa altas frecuencias en el mismo forma que lo hace el control ½
AMP LOW FREQ en el 7P5 en la atenuación de bajas frecuencias.
Interruptores de sensibilidad
El interruptor µV/CM, junto con su adyacente interruptor MULTIPLY BY,
determinan la sensibilidad de la deflexión del estilete. La sensibilidad estándar del
ECG es 75 µV/cm. Sin embargo, hay disponibles 18 sensibilidades calibradas, las
cuales varían desde los 15 mV/cm hasta los 20 µV/cm.
Con el interruptor de MULTIPLY BY en la posición X1, la sensibilidad es
exactamente como se encuentra descrita en el interruptor µV/cm. Si se gira el
interruptor MULTIPLY BY a la posición X10, se multiplica cada escala pre-fijada
del interruptor µV/cm por un factor de diez. Así, con el interruptor de MULTIPLY
BY en X10 y el interruptor de µV/cm en 20, la sensibilidad real del 7P5 es de 300
µV/cm. De manera similar, con el interruptor de MULTIPLY BY en la posición X100
y el interruptor µV/cm en 100, la sensibilidad es 10 mV/cm (10,000 µV/cm).
Cuando la sensibilidad requerida se desconoce, lo mejor es comenzar con una
baja sensibilidad y de manera gradual incrementarla, hasta obtener la amplitud
deseada.
Control ADJ CAL
El ajuste adecuado del control ADJ CAL permite seleccionar la sensibilidad de los
interruptores µV/cm y MULTIPLY BY para una lectura correcta. Este control no
debería ajustarse hasta que el Amplificador del Manejador haya sido calibrado
adecuadamente a sensibilidad estándar (100 mV/2 cm).
CONTROLES DEL AMPLIFICADOR DEL MANEJADOR 7DA
Interruptor Off-Standby-On
La función de este interruptor se detalla a continuación:
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Guía 6
Este interruptor también sirve como el interruptor de Encendido-Apagado para el
oscilógrafo que maneja el amplificador, por ejemplo, basta con colocarlo en la
posición de STANDBY para que el oscilógrafo se apague temporalmente.
En la posición STANDBY el Preamplificador y el Amplificador del Manejador
funciona normalmente así que la información en J6, J6A, y J7 se mantiene, con lo
que pueden ser utilizadas para el registro en una pantalla de un Osciloscopio, no
importando que el oscilógrafo se encuentre apagado. Cuando el interruptor se
mueve a la posición ON, el registro en el oscilógrafo comienza instantáneamente.
Interruptor POLARITY y botón DRIVER CAL
Para amplificador señales desde un pre-amplificador, el interruptor POLARITY
debe encontrarse en una de las posiciones USE.
Las posiciones CAL (Calibrar) son utilizadas durante el procedimiento de
calibración del Amplificador del Manejador y cuando se ajusta el control de
BASELINE POSITION. Tanto en la posición UP CAL, como en DOWN CAL, la
salida del preamplificador esta desconectada de la entrada del Amplificador del
Manejador.
La convención en el registro de la mayoría de los fenómenos electrofisiológicos es
tal que un voltaje de entrada negativo al Preamplificador en G1 resulta en una
deflexión del estilete orientada hacía arriba. El modelo 7 se encuentra conectado
de tal forma que la convención se observa cuando el interruptor POLARITY-CAL-
USE esta en la posición UP. La posición DOWN produce por lo tanto el efecto
contrario.
El botón interruptor rojo etiquetado DRIVER CAL, introduce una señal de 100 mV
de DC a la entrada del Amplificador del Manejador cuando el interruptor
POLARITY se encuentra en cualquier posición CAL: La polaridad de esta señal
produce una señal negativa en J1 con respecto a J2 cuando el interruptor
POLARITY se encuentra en la posición UP CAL.
Si se introduce una señal en el Manejador por medio de los conectores J1 y J2, la
polaridad UP corresponde a J1 siendo negativa con respecto a J2 y/o tierra.
Control de sensibilidad
El control DRIVER SENSITIVITY altera la sensibilidad del Amplificador del
Manejador. La sensibilidad recomendada es 50 mV/cm (100 mV / 2cm). Cuando
se desea, sin embargo, la sensibilidad puede ser variada sobre un amplio rango,
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Guía 6
desde aproximadamente 30 hasta 250 mV/cm. El control DRIVER SENSITIVITY
se fija en conjunto con la circuitería de calibración auto-contenida.
Girando este control en el sentido de las agujas del reloj, la sensibilidad se
incrementa. Girándola en sentido antihorario la sensibilidad decrece. Se provee un
tornillo hexagonal para permitir que el control SENSITIVITY se fije en una posición
si así se desea.
Interruptor ½ AMP HIGH FREQ-TIME CONSTANT
El interruptor filtro ½ AMP LOW FREQ-TIME CONSTANT determina la respuesta
en alta frecuencia del Amplificador del Manejador, tanto para su salida en los
estiletes como en J6. Los números negros se refieren a la respuesta en frecuencia
del amplificador del manejador y el estilete. Los números rojos se refieren a la
respuesta en frecuencia del Amplificador del Manejador tal y como se monitoriza
en J6. Las escalas de ½ amplitud son –6 dB. La respuesta en frecuencia de la
clavija J6A es independiente del interruptor ½ AMP HIGH FREQ siendo la
respuesta en ½ Amplitud de aproximadamente 40 kHz.
Los valores indicados son las frecuencias a las cuales el límite superior de la curva
de respuesta en frecuencia se ha atenuado a ½ Amplitud. Las posiciones de 0.1 y
0.5 Hz suavizan la señal para indicar valores medios de variables tales como la
presión sanguínea y el flujo.
Cuando se requiera de monitoreo de altas frecuencias, se fija el interruptor de
½ AMP HIGH FREQ en 0.5 kHz, 3 kHz o 40 kHz para asegurarse con ello la
respuesta en frecuencia requerida. Use J6 con este objetivo.
Interruptor filtro de 60 Hz
El filtro de 60 Hz (FILTER) rechaza interferencias que provengan de fuentes de AC
mediante el uso de un filtro Notch que tiene una atenuación aguda en los 60 Hz.
Fijado este interruptor en IN se filtra una gran cantidad de artefactos de 60 Hz con
muy poca perdida de información de otras frecuencia.
Entradas – Salidas J5, J6, J6A y J7
La entrada J5 y las salidas J6 y J6A, permiten la interconexión de instrumentos de
diferentes fabricantes, basándose en estándares internacionales. Estos
estándares aseguran la compatibilidad de la interfase en áreas tales como el nivel
de la señal, la impedancia, referencia (única o diferencial), etc.. Los estándares
son:
- 1 VRMS (2.8 VP-P) nivel de señal de escala completa.
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- Referencia única,
- Impedancia de entrada de 10 kΩ o mayor,
- Impedancia de salida de 1 kΩ o menor.
Guía 6
Las especificaciones para las clavijas J5, J6 y J6A son las siguientes:
- Entrada J5 : 1.2 MΩ
- Salida J6, J6A : 100 Ω, carga mínima de 3 kΩ
- 2.8 VP-P (1 VRMS) en J5, J6 y J6A correspondientes a la deflexión a máxima
escala del estilete.
J5, J6 y J6A tienen un nivel de 0 Voltios de DC cuando el estilete se encuentra en
la línea central, o línea base, siendo la señal negativa cuando el estilete deflexiona
hacía arriba (convención de electrofisiología).
La salida J7 se encuentra conectada al estilete del oscilógrafo a través de un
resistor de 50 Ω; por lo que la impedancia de salida es de 55 Ω. El nivel de señal
es de 16 VP-P, para excursión de escala completa del estilógrafo (5cm). El nivel
de DC es de 0 Voltios cuando el estilete se encuentra en la línea central. Una
señal negativa se corresponde con un movimiento hacia arriba. J7 puede ser
cortocircuitado con tierra sin ningún peligro.
A lo largo del rango dinámico del oscilógrafo (35 a 75 Hz), debido al movimiento
de d’Arsonval se genera una emf, que trae como resultado que la respuesta en
frecuencia en J7 sea de ± 10% DC a 100 Hz, y por debajo del 50% a los 300 Hz.
REGISTRO DIFERENCIAL DE POTENCIALES BIOELÉCTRICOS
Dado que el registro de un potencial bioeléctrico es casi siempre a bajas y medias
frecuencias, con una entrada diferencial, se reduce el efecto en este registro, de
artefactos, interferencias e incluso diafonías entre canales.
Un amplificador diferencial es aquel que tiene sus dos conexiones de entrada (G1
y G2) aisladas de tierra y el potencial registrado entre ella es independiente de
cualquier tierra. El sujeto deberían estar aterrizados mediante un tercer electrodo
conectado a la clavija ISOGND para minimizar los artefactos causados por
cualquier carga estática sobre el sujeto. La clavija ISOGND es una tierra segura y
no permite flujos de corriente de fuga a tierra mayor de 10 µA.
La habilidad de un amplificador diferencial para rechazar señales comunes se
denomina “Rechazo en Modo Común”. La Relación de Rechazo en Modo Común
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Guía 6
(CMRR) es la relación de las diferentes señales entre G1 y G2 (deseada), y la
señal común no deseada entre ya sea G1 y G2 y tierra.
Registro de potenciales bioeléctricos con referencia única
Cuando es deseado medir una diferencia de potencial entre tierra y cualquier otro
punto, es necesario entonces un registro con referencia única, o referenciado a
tierra. Normalmente no es deseable el desarrollo de registro para biopotenciales
de esta manera, pero esta puede ser útil de manera ocasional en algunos otros
dispositivos aplicados al paciente.
Cuando se registran potenciales con componentes de muy alta frecuencia, puede
ser necesario aterrizar una entrada o inclusive usar un amplificador referenciado a
tierra, dado que el efecto diferencial de los amplificadores es mas pobre a altas
frecuencias y debido a que los efectos capacitivos de los cables empeoran.
El 7P5 puede estar conectado con referencia única, simplemente conectando el
Terminal que corresponde a G1 o G2 al Terminal ISOGND.
Electrodos
Los electrodos de superficie son usados normalmente en ECG, los potenciales de
EEG son registrados de manera rutinaria a partir de Discos de Superficie GRASS,
o electrodos subdermicos GRASS. Ambos tipos de electrodos pueden ser usados
incluso, para registrar potenciales de EMG.
Los electrodos de superficie normalmente emplean un medio conductivo (gel
electrolítica) y medio adhesivo (cintas de material adhesivo) para mantenerlas en
su lugar.
Un buen registro demanda baja impedancia del electrodo. Los electrodos de disco,
cuando son aplicados expertamente, pueden tener impedancias tan bajas como
1000 Ω por par. Un electrodo con una impedancia mayor a los 10000 Ω no debe
ser utilizado.
Materiales y equipos
N° Cantidad Descripción
1
2
3
1
3
1
Poligrafo GRASS
Electrodos
Preamplificador de Banda Ancha AC y EEG
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4
5
6
Recomendaciones
1
1
1
• Tenga orden y aseo para trabajar.
Guía 6
Regleta para Cables de Entrada.
Osciloscopio
Simulador de Paciente ó Gel Electro
conductiva
• Siempre que tenga duda del procedimiento a realizar, consúltelo con el docente
• Al finalizar la práctica, el laboratorio se debe dejar en la misma condición ó mejor
en que se encontró, aún los accesorios y herramientas utilizadas.
Procedimiento
PARTE I. Manejo de los controles del Polígrafo GRASS
1. Conecte la regleta de electrodos a la entrada IN del WIDE BAND A.C. EEG
PRE-AMPLIFIER.
2. Conecte la salida del generador de funciones a las entradas 1 y 2 de la regleta.
3. Seleccione las respectivas entradas en G1 en 1 y G2 en 2 para seleccionar la
entrada diferencial que se desea medir.
4. Coloque el interruptor de MULTIPLY BY en la posición X100 y el interruptor
µV/cm en 100, con ello, la sensibilidad es 10 mV/cm (10,000 µV/cm).
5. Conecte el Canal 1 del osciloscopio y mida la salida del generador de funciones,
regístrela, ya que será la señal base con la que se trabajará.
Frecuencia _______________________Hz
6. Conecte el canal 2 del osciloscopio y mida la salida de J6A.
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Guía 6
7. Encienda tanto el Preamplificador 7P como el Amplificador del Manejador 7DA.
8. Siguiendo las instrucciones del marco teórico, seleccione los diferentes valores
pre-fijados para el ½ AMP LOW FREQUENCY. Verifique el efecto que este
presenta sobre la señal de entrada.
9. Vuelva a obtener la señal base con la máxima amplitud posible.
10. Seleccione los diferentes valores pre-fijados para el ½ AMP HIGH
FREQUENCY. Verifique el efecto que este presenta sobre la señal de entrada.
11. Apague y desconecte el experimento montado.
PARTE II. Registro de biopotenciales haciendo uso del polígrafo GRASS.
1. Conecte la regleta de electrodos a la entrada IN del WIDE BAND A.C. EEG
PRE-AMPLIFIER.
2. Coloque los electrodos en la regleta para cables de entrada. Los electrodos a
conectar son RA, LA y LL. Conecte RA a la entrada 1 de la regleta, LA a la entrada
2 de la regleta y LL a la entrada 3 de la regleta.
3. Coloque los electrodos en las posiciones indicadas de su cuerpo. Para ello,
utilice una delgada capa de crema conductora en cada una de ellos y sujételos
con esparadrapo ó Simulador.
4. Varíe los controles G1 y G2, para determinar el diferencial que se desea medir,
esto es, si por ejemplo deseamos la derivación I, es necesario que se registre el
diferencial entre RA y LA.
5. Fije la sensibilidad a 20µV/cm para comenzar. Luego la ajustará hasta lograr la
deflexión de la pluma deseada. La respuesta dependerá del esfuerzo del paciente.
6. Fije el High Filter a 100 Hertz, y el Low Filter a 0.01 Hertz. Constantes de tiempo
más pequeñas (frecuencias más altas) atenuaran significativamente las formas de
onda.
7. Coloque el interruptor de salida del Amplificador Manejador de la Pluma
Oscilográfica en ON.
8. Encienda el interruptor de PEN AND CHARTS, para permitir que se pueda
hacer un registro variable en el tiempo en papel. Si es Factible.
9. Seleccione y registre la velocidad del papel.
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Guía 6
10. Controle los valores antes mencionados para la obtención de una correcta
medición gráfica.
11. Cuando logre la forma de onda requerida, tome La Características de la Señal
que muestra el osciloscopio.
12. Apague y desconecte el experimento montado.
Análisis de resultados
- Describa en detalle los siguientes diagramas de respuesta en frecuencia del equipo que
ha utilizado en la práctica.
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Guía 6
- Cual es la relación existente entre la frecuencia y la constante de tiempo que se
encuentra pre-fijada en los diferentes controles relacionados con el filtrado de
frecuencias.
Actividad complementaria
- Diseñe y compruebe el funcionamiento de un filtro Notch. (La comprobación debe
ser mediante una simulación y la implementación del circuito).
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