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Electrodos para biopotenciales:teoría electroquímica y modelos eléctricos
núcleo de ingeniería biomédicafacultades 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
• 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
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.
Se habla de par Electrodo-Electrolito cuando:
• El electrolito contiene iones del material del cual está construido el electrodo.
Interfase Electrodo-Electrolito
Potencial Semi-Celdao “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”
Potencial Semi-Celdao “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.
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.
Electrodospolarizables 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.
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-
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).
Electrodo Ag/AgCl
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)
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.
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.
Respuesta en frecuencia
• En electrodos Ag/AgCl descartables, la impedancia típica está en el orden de 1 k Wa 10 Hz
• Al diseñar un amplificador se suele tomar en cuenta valores de hasta 500 k W 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
Interfase Electrodo-Piel
La impedancia de la piel varía entre: 200 k W a 1 Hz y 200 W a 1 MHz
Tabla de impedancias de todo el conexionado
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
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
Tipos de electrodos
Tipos de electrodos
Tipos de electrodos
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?
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?
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
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