Sistemas de Instrumentacion Medica

8/3/2019 Sistemas de Instrumentacion Medica

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INGENIERA BIOMDICA

JUAN F. GUERRERO MARTNEZCurso 2010-2011

Tema 9Sistemas de Instrumentacin Mdica

9.1. Amplificadores de biopotenciales

Este tipo de amplificadores se utilizan para la obtencin de los biopotenciales

captados por electrodos, realizando la adaptacin de impedancias, mejorando la relacin

seal/ruido y proporcionando una seal de salida de suficiente amplitud para servisualizada y registrada. En este apartado comentaremos las caractersticas de los ms

utilizados: los electrocardigrafos, los electroencefalgrafos y los amplificadores paraelectromiograma.

Electrocardigrafos

Los electrocardigrafos se utilizan para obtener registros de la seal de ECG.

Debido a su amplia utilizacin como herramienta diagnstica, y la existencia de diversos

fabricantes, se ha desarrollado una cierta estandarizacin de este tipo de amplificadores.

Las principales caractersticas de un electrocardigrafo son, entre otras:

Impedancia de entrada: > 5M.

Corriente a travs del paciente: < 1 A.

Resistencia del terminal central: > 3.3 M.

Ganancias fijas: 5, 10 y 20 mm/mV (equivalentes a ganancias de 500, 1000 y

2000, respectivamente).

Respuesta frecuencial:

0.14 Hz a 25 Hz: 0.5 dB.

Frecuencia superior de corte: 100 Hz.

Velocidad del papel: 25-50 mm/seg. Amplitud de la seal de calibracin: 1 mV.

El diagrama de bloques de un electrocardigrafo se muestra en la siguiente figura.

Podemos destacar:


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Circuitos de proteccin: Incluyen limitadores de sobretensiones para suutilizacin conjunta con desfibriladores y tambin pueden incorporar filtros de

RF.

Selector de derivacin - Calibracin: Permite programar cul o cules de las 12

derivaciones van a ser registradas. Incluye la red del terminal central de

Wilson. La seal de calibracin, generalmente un pulso cuadrado de amplitud 1

mV, se inyecta en el electrocardigrafo en esta etapa para permitir comparar la

amplitud de la seal de entrada con una de amplitud conocida.

Figura 9.1. Diagrama de bloques de un electrocardigrafo.

Preamplificador: En esta etapa se realiza la amplificacin diferencial, respecto

de la referencia aislada, de la seal obtenida de una derivacin (DI-III) o a

partir del valor promedio del resto (aVL, aVF, aVR, V1-6). En algunos

sistemas, se dispone de hasta tres preamplificadores, permitiendo as la

obtencin simultnea de varias seales.

Realimentacin activa: Este circuito se conecta al paciente mediante el

electrodo de referencia (pierna derecha), y permite eliminar interferencia demodo comn, tal y como se coment en el captulo 3.

Electrodos

Circuitosproteccin

SelectorderivacinCalibracin

Preamplificador

Realimentacinactiva

Conversin A/DAlmacenamiento

Procesado

Aislamiento

AmplificadorVisualizacin

Impresin


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Circuito de aislamiento: Transfiere la seal entre la referencia aislada y la dered.

Amplificador Visualizacin - Impresin: La seal amplificada puede

visualizarse o imprimirse en papel para su diagnstico.

Conversin A/D Almacenamiento Procesado: La seal puede ser

digitalizada para su almacenamiento o procesado posterior.

Electroencefalgrafos

Los electroencefalgrafos se utilizan para la obtencin de la seal de EEG. Dicha

seal obtenida en la superficie del crneo presenta un ancho de banda desde 0.1 hasta 100

Hz, con amplitudes desde 25 a 100 V, y adems presenta una alta impedancia de salida,por lo que su amplificacin requiere circuitos con alta ganancia e impedancia de entrada,

as como un buen rechazo a interferencias de modo comn. Los electrodos se localizan

usualmente mediante el sistema 10-20, por lo que se requieren varios canales (el mnimo

en aplicaciones clnicas es 8). Las especificaciones bsicas de un electroencefalgrafo

comercial son:

Nmero de entradas: 25 monopolares.6 bipolares.

1 canal ECG.

Impedancia de entrada: 200 M /500 pF entre dos electrodos.

CMMR: 100 dB. Ruido


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funcin del tipo de captacin y electrodos utilizados. Las caractersticas principales deestos amplificadores son:

Sensibilidad: 1 V/div a 10 mV/div. Impedancia de entrada: 100 M /47 pF.

CMMR a 50 Hz: >100 dB.

Filtro pasa-alto: 0.5Hz-3kHz (6 dB/octava).

Filtro pasa-bajo: 0.1-15 kHz (12 dB/octava).

Ruido: 1 V eficaz con la entrada cortocircuitada.

La visualizacin de las ondas se realiza sobre osciloscopio u ordenador. El

electromigrafo suele disponer tambin de una salida de audio para reproducir las seales

registradas.

9.2. Procesadores de seal

Los amplificadores de biopotenciales analizados realizan funciones de procesado

de la seal limitadas fundamentalmente a filtrado. Dentro de los procesadores de seal se

incluyen aquellos sistemas de instrumentacin mdica que realizan funciones de

procesado, tanto analgico como digital, ms complejas para la obtencin de la seal

deseada, y en los que tambin se incluyen en ocasiones amplificadores como un bloque

ms. Como ejemplo de este tipo de sistemas, analizaremos los cardiotacmetros, los

monitores cardacos y los equipos para la obtencin de potenciales evocados.

Cardiotacmetros

Los cardiotacmetros se utilizan para la obtencin del ritmo cardaco, usualmente a

partir de la seal de ECG, pero tambin puede obtenerse a partir de otras bioseales comola presin arterial o los sonidos cardacos. Frecuentemente incorporan circuitos de alarma

que indican cundo el ritmo cardaco excede un rango previamente programado. Seclasifican en cardiotacmetros de promedio (proporciona el valor medio en un cierto

periodo de tiempo) o de pulso a pulso (proporciona el valor instantneo del ritmo a partir

de la inversa del intervalo entre pulsos consecutivos).

La figura 9.2 muestra el diagrama bsico de un cardiotacmetro de promedio. La

seal, previamente amplificada por un amplificador de ECG, es analizada por un detector

de QRS (ver captulo 7), constituido por un filtro pasabanda, un detector de umbral y un

generador de pulso. A la salida del detector se obtiene un pulso por cada QRS detectado.El tren de pulsos obtenido es integrado para obtener una seal promedio, cuya amplitud es


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proporcional al ritmo cardaco. Esta seal se presenta al usuario mediante un indicador, y puede tambin utilizarse para disparar una alarma comparando su valor con lmites

predefinidos.

El cardiotacmetro promediador slo permite seguir las tendencias del ritmo

cardaco, pero no su variabilidad latido a latido. En este ultimo caso se utilizan los

cardiotacmetros instantneos, que utilizan tambin un detector de QRS, pero que

sustituyen el integrador por un circuito que convierta el intervalo entre latidos en una

tensin de salida. Una forma de implementar esto puede ser la utilizacin de contadoresdigitales que midan el nmero de pulsos de reloj durante dicho intervalo, seguidos de un

conversor D/A para obtener la seal analgica de salida. Tambin en este caso puedeutilizarse circuitos de alarma.

Figura 9.2. Diagrama de bloques de un cardiotacmetro promediador.

Monitores cardacos

Los monitores cardacos se utilizan para controlar de forma continua la seal de

ECG y el ritmo cardaco del paciente durante operaciones quirrgicas o en unidades decuidados intensivos, entre otras situaciones. Los monitores cardacos integran

amplificadores de ECG, cardiotacmetros y dispositivos de presentacin, as como algn

tipo de memoria continua que almacene el histrico de la actividad cardaca del paciente.

La siguiente figura muestra su diagrama de bloques.

Detector QRS

ECG

Programacin

INTEGRADOR

INDICADOR

COMPARADO

ALARMA

FILTROPASABANDA

DETECTORUMBRAL

GENERADORPULSOS


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Figura 9.3. Diagrama de bloques de un monitor cardaco.

Los amplificadores de ECG utilizados en los monitores cardacos suelen presentar

un ancho de banda menor que el estndar (0.67 40 Hz), mejorando as la respuesta frenteal ruido producido por el movimiento de los electrodos o el de red. La seal amplificada se

presenta al usuario en la pantalla de un osciloscopio, puede registrarse sobre papel, y puede

ser tambin almacenada en una memoria temporal, que permite registrar eventos

producidos en los ltimos segundos. Esta seal se utiliza tambin como entrada a uncardiotacmetro que proporciona una indicacin del ritmo cardaco y generar alarmas.

Estas alarmas pueden forzar un registro automtico del evento en papel.

La tendencia actual es la utilizacin de microprocesadores para la implementacinde monitores cardacos. Esto permite ampliar sus prestaciones con funciones de procesado

digital ms complejas como reconocimiento de arritmias, etc., pudiendo integrarse tambinen sistemas de informacin hospitalaria.

Un tipo usual de monitores cardacos utilizado en clnica es el monitor Holter.

Consiste en un amplificador de ECG y un grabador de cinta de cassette, conectados a

electrodos que el paciente lleva en el pecho. El sistema de grabacin presenta unasdimensiones reducidas (similares a las de un reproductor walkman, ver figura 9.4), yadquiere entre 24 y 48 horas de registro ECG. La seal es posteriormente procesada en un

sistema de anlisis Holter, que incluye un reproductor de alta velocidad (la seal se leeaproximadamente a 50-60 veces la velocidad de grabacin). Actualmente van siendo

sustituidos por memoria de estado slido. El analizador detecta la presencia de eventos nonormales, presentndolos al cardilogo en pantalla o en papel, y resume el procesado de la

Electrodos AMPLIFICADOR

ECG

CARDIOTACMETRO

ALARMA

MEDIDORRITMO

OSCILOSCOPIO

REGISTRADOR

MEMORIA


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cinta indicando diversos parmetros como el ritmo cardaco, su variabilidad, tipo y nmerode arritmias y cantidad de artefactos.

Figura 9.4. Monitor Holter (http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci).

Equipos de potenciales evocados

Los equipos para la obtencin de potenciales evocados (EP) permiten registrar la

actividad elctrica del cerebro evocada por un estmulo sensorial. Los EP se caracterizan

por una baja amplitud y relacin seal-ruido, por lo que requieren procesado posterior parasu obtencin. El procesado se basa en que la respuesta evocada por el estmulo se repite de

forma aproximadamente invariante cada vez que se repite el estmulo (con un cierto retraso latencia-). Esto permite obtener muchas respuestas evocadas que pueden ser

posteriormente promediadas para mejorar su relacin seal-ruido. La siguiente figura

muestra los bloques que constituyen un equipo de obtencin de PE:

La estimulacin se realiza con un dispositivo adecuado al tipo de respuesta evocada

que se desea obtener. Para obtener PE es necesario estimular al sujeto de 100 a 1000 veces,

dependiendo del tipo de PE. Para la captacin se utilizan electrodos superficiales -del tipo

empleado usualmente en electroencefalografa- o de aguja. Adems de los PE y del EEGnormal se capta ruido (artefactos producidos por el estmulo, seal de red, potenciales de

origen muscular, parpadeos y movimientos de los ojos, potenciales de la piel,


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interferencias de RF, etc.). Los electrodos se posicionan normalmente en puntos fijadospor el Sistema 10-20, aunque no se suelen emplear todas las derivaciones sino slo un

nmero reducido de ellas. En el registro de potenciales somatosensoriales de la mdula

espinal se colocan los electrodos en distintos puntos de la columna vertebral.

Figura 9.5. Diagrama de bloques de un equipo de obtencin de PE.

Las caractersticas del amplificador para PE difieren de las de un amplificador de

EEG, ya que requieren ms amplificacin y ancho de banda. Previo al proceso de

promediado, se puede realizar un filtrado analgico para eliminar aquellas componentes

del ruido cuyo espectro no se solapa con el de la seal de inters, mejorando as la relacin

seal-ruido. Por ltimo, se promedia la seal obtenida para eliminar el ruido que presenta

espectro solapado. Esta tcnica permite una reduccin de dicho ruido en un factor N1/2,

donde N es el nmero de PE promediados. Ello requiere una superposicin correcta de las

seales antes de promediarlas, para lo que se aprovecha el estmulo como referencia

temporal, ya que la respuesta evocada se produce siempre con aproximadamente la mismalatencia. El bloque de control, por tanto, se encarga de sincronizar la estimulacin con la

adquisicin de la seal. El resultado final se presenta en una grfica X-Y, donde las

abscisas representan el tiempo en ms y las ordenadas amplitudes en mV.

Estimulador Amplificador Filtrado

Presentacin

Promediador

Control


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Como caractersticas generales de un sistema de obtencin de PE, podemos

destacar:

Amplificadores.

Nmero de canales: 4 (recomendable).

Ruido de entrada: 0.7 V eficaces entre 2Hz-10kHz, con entradas

cortocircuitadas.

Impedancia diferencial: 200 M /25 pF.

CMMR: 100 dB.

Filtros baja frecuencia: 0.01Hz a 500 Hz en distintos pasos.

Filtros alta frecuencia: 20Hz a 20 KHz en distintos pasos.

Control.

Disparo: manual, externo o interno (normal o aleatorio. entre 0.1 y 50 Hz).

Estimuladores.

Somatosensorial:

Corriente entre 0.1 y 99.9 mA.

Duracin entre 0.1 y 2.5 ms.

Auditivo:

Forma de estimulacin: 'burst' y 'clicks'.

Duracin cliks: 50, 100 y 200 ms. Duracin burst: 1, 2,5,10,20,50,100,500 y 1000 ms.

Visual: Tipos: TV yflash.

Patrones: damero, barras verticales y horizontales.

9.3. Estimuladores elctricos

Los estimuladores elctricos se encuadran entre los sistemas de instrumentacin

mdica utilizados con fines teraputicos o como prtesis. Existe una gran cantidad de tipos,desarrollados para distintas aplicaciones, entre las que podemos destacar los cardacos

(marcapasos), musculares, nerviosos, auditivos, etc. En esta seccin revisaremos algunos

de los ms usuales.


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Marcapasos y estimuladores cardacos

Los marcapasos cardacos son estimuladores elctricos que establecen y mantienen

la actividad rtmica del corazn mediante impulsos elctricos peridicos, conducidos a

electrodos situados en la superficie, en el interior del miocardio o en el interior del corazn.

En funcin de su localizacin, se pueden clasificar en externos (utilizados

fundamentalmente en unidades de cuidados intensivos o con pacientes que estn a la

espera de un transplante cardaco, y tambin en experimentacin electrofisiolgica), e

internos (implantados). Respecto al modo de funcionamiento, podemos distinguir tambin

dos grupos: los asncronos, que producen un ritmo de estimulacin constante, de

frecuencia preprogramada, y los sncronos, cuyo ritmo de estimulacin se adapta a las

necesidades del paciente.

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un marcapasos asncrono.La lnea punteada engloba los circuitos incluidos en el marcapasos propiamente dicho.

Estos son, adems de la fuente de alimentacin, un oscilador, que determina la frecuencia

de estimulacin, y que puede ser ajustado dentro de un cierto rango, y un amplificador de

salida, que genera el pulso de estimulacin. Este circuito puede implementarse como

fuente de tensin (con amplitudes entre 5.0 y 5.5V, y duraciones entre 500 y 600 s), o

como fuente de corriente (con intensidades entre 8 y 10 mA, y duraciones entre 1.0 y 1.2ms).

Fig. 9.6. Marcapasos asncrono.

La fuente de alimentacin es generalmente una batera. Las de zinc-mercurio,utilizadas en los primeros marcapasos, a principios de 1970, tenan una vida til

FuenteAlimentacin

AmplificadorSalida

Oscilador Cables Electrodos


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aproximada de dos aos, lo que obligaba a realizar una nueva intervencin para sustituir elmarcapasos (suele cambiarse el dispositivo completo; los cables y electrodos se prueban y,

si estn en condiciones correctas de funcionamiento, se mantienen, simplificando la

intervencin). Las bateras actuales de litio-yodo han incrementado significativamente suduracin (ms de 10 aos).

Los cables conducen el impulso de estimulacin desde la posicin de implante del

marcapasos hasta el corazn. Adems, los cables deben poseer caractersticas de buena

conduccin (para evitar cadas de tensin entre el punto de generacin y el de aplicacin

del impulso), aislamiento (la falta del mismo producira estimulacin en otros puntos nodeseados) y resistencia mecnica (ya que estn sometidos a flexiones continuas producidas

por el movimiento del paciente durante aos). Para conseguir esto, se utiliza cable enforma helicoidal, que soporta mejor el estrs mecnico, y una cubierta de silicona,

caracterizada por su flexibilidad, resistencia, aislamiento y biocompatibilidad.

Los tipos de electrodos utilizados dependen del tipo de estimulacin. En el caso

unipolar, se localiza un nico electrodo en el corazn, y el electrodo de referencia puede

estar en cualquier otra posicin (incluyendo el propio marcapasos). En el caso bipolar, se

utilizan dos electrodos localizados en el corazn, montados generalmente en el mismo

encapsulado, que dispone de varios contactos. La localizacin se puede hacer en elepicardio, en el interior de la pared miocrdica (electrodos intramiocrdicos) o en el

endocardio (utilizando como va de entrada una vena).

Tanto los electrodos como los cables deben construirse con materiales que resistan

largos periodos de tiempo y no produzcan irritaciones o reacciones qumicas con el tejido

con el que estn en contacto. Tambin el material con el que se fabrica el encapsulado del propio marcapasos debe cumplir ciertas condiciones de biocompatibilidad, as como

proteger a los circuitos del medio corrosivo en el que est inmerso. Otras caractersticas

como el tamao o el peso son tambin importantes al disear un marcapasos. Los primeros

modelos utilizaban materiales plsticos, aunque actualmente han sido sustituidos pormetales como titanio y acero, que ocupan menos volumen que los anteriores.

Los marcapasos sncronos se utilizan en pacientes con bloqueos intermitentes, para

los cuales una estimulacin continuada puede producir taquicardia o fibrilacin. Podemos

distinguir dos tipos: los de demanda y los de sincronizacin auricular. En los marcapasos

de demanda se detecta la presencia de latido generado por el NSA, bloquendose el

funcionamiento del oscilador. En caso contrario, el oscilador se desbloquea y el estmulogenerado por el marcapasos suple la falta de latido espontneo.

La siguiente figura muestra el diagrama de un marcapasos de demanda. Laestructura es similar a la del marcapasos asncrono, pero se ha aadido un amplificador que

permite detectar la presencia de actividad espontnea cardaca, en cuyo caso el circuito de


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reset inhibe el funcionamiento del oscilador. Los mismos electrodos de estimulacin seutilizan para deteccin.

Adems de la adaptacin al ritmo que incorporan los marcapasos de demanda, sehan desarrollado marcapasos que incorporan adaptacin a otros parmetros fisiolgicos,

intentando obtener sistemas que se comporte de forma ms parecida a la respuesta real del

corazn. Se han utilizado parmetros como la temperatura, pH sanguneo, movimiento

corporal, etc. El marcapasos utiliza un sensor de cada parmetro que proporciona la

entrada a un controlador, el cual determina si es necesaria una estimulacin adicional o, por el contrario, debe mantener inhibido el funcionamiento del marcapasos. El circuito,

excepto por el controlador (que utiliza algn algoritmo de control) y el sensor especfico,tiene una estructura similar al marcapasos de demanda.

Figura 9.7. Marcapasos de demanda.

Los dispositivos actuales pueden programarse mediante la utilizacin de

dispositivos acoplados magnticamente, permitiendo as modificar determinados

parmetros de estimulacin (amplitud, frecuencia, etc.) a lo largo de la vida del implante.

La siguiente figura muestra un marcapasos comercial y el electrodo utilizado.

FuenteAlimentacin

AmplificadorSalida

Oscilador Cables Electrodos

AmplificadorSensadoCircuitoReset


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Figura 9.8. Marcapasos y electrodo (Wikimedia Commons).

Por ltimo, los marcapasos externos se utilizan en pacientes que requieren una

estimulacin temporal, generalmente a la espera del implante de un marcapasos interno, as

como en unidades de cuidados intensivos. Suelen ser de tipo asncrono, y utilizan

electrodos intracardacos introducidos mediante cateterismo.

Estimuladores musculares

Los estimuladores musculares permiten producir la contraccin de msculos o

grupos de msculos. Se utilizan en diversas aplicaciones, tales como para contrarrestar

atrofia muscular en casos de parlisis temporal, recuperar el funcionamiento de msculos

en pacientes tras accidentes traumticos o tratar incontinencia urinaria (mediante

estimulacin de los msculos del esfnter).

Un estimulador muscular consta bsicamente de un generador de pulsos, cables yelectrodos. En funcin de su localizacin, podemos distinguir entre sistemas de

estimulacin superficial (totalmente externos), percutnea (con generador externo yelectrodos internos) o implantables (en este caso, el control se realiza por telemetra).

Los sistemas de estimulacin elctrica funcional (FES: functional electric-

stimulation) se utilizan para mejorar el funcionamiento de las extremidades en pacientesparapljicos, permitindoles mover las manos, mantenerse de pie o andar. En este caso, un

sistema de control determina la secuencia de estimulacin de los diferentes msculos

implicados en el movimiento. Los electrodos se colocan en los nervios que inervan el

msculo, y su estimulacin produce la contraccin de ste. La siguiente figura muestra un


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ejemplo de FES para control de mano. El paciente puede controlar la estimulacinmuscular mediante movimientos del hombro, que son detectados mediante un transductor

de posicin y transmitidos a una unidad de control externa, que determina la secuencia de

estimulacin.

Figura 9.9. FES implantado para control de mano ( J. Bronzino Ed. "TheBiomedical Engineering Handbook". CRC Press).

Estimuladores nerviosos

La estimulacin de nervios perifricos y de la espina dorsal permite incrementar el

umbral de dolor, y se utiliza en pacientes con dolor continuado o que no responde a otros

tratamientos. La eficacia se incrementa si los estmulos se producen de forma no continua,aunque depende en gran medida del paciente.

Se suele utilizar un sistema implantado, que incluye un receptor de impulsos y loselectrodos. El sistema implantado puede ser totalmente pasivo, siendo el emisor, que

contiene el generador de pulsos y la fuente de alimentacin, el que proporciona la energade estimulacin a travs de acoplamiento magntico transcutneo. La siguiente figura

muestra un ejemplo de este tipo de estimuladores. Se realiza una modulacin con portadora

de RF (de frecuencia del orden de MHz) para optimizar el acoplamiento.

Electrodos estimulacin

Receptor/estimulador implantado

Antena transmisora

Transductor posicin

hombro

Unidad control externa


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Figura 9.10. Estimulador elctrico transcutneo.

Prtesis cocleares

Las prtesis cocleares son estimuladores utilizados en pacientes con prdidas

auditivas severas. Basndose en el mecanismo de audicin de la cclea, que presentadistintas terminaciones nerviosas para detectar diferentes bandas de frecuencias en funcin

de su localizacin, este tipo de estimuladores analiza el sonido detectado y produce

diferentes estimulaciones sobre el conjunto de electrodos en funcin de la frecuencia.

La estructura bsica de estas prtesis se muestra en la siguiente figura. Consta de

una unidad externa, que incluye el micrfono, el procesador de seal y el controlador de

estmulos, y de una unidad implantada, formada por el generador de estmulos y los

electrodos. El procesador de seal implementa en tiempo real una batera de filtros pasabanda, cada una de cuyas salidas es utilizada por el controlador de estmulos para

generar la secuencia de estimulacin a cada frecuencia. La unidad externa se acopla

transcutneamente a la unidad implantada, cuyo generador de estmulos conforma los pulsos en funcin de dicha informacin y produce la estimulacin sobre la matriz de

electrodos.

El principal inconveniente de este tipo de prtesis es la diferencia entre los sonidos

que el paciente escucha por estimulacin y los que produce de forma natural el odo y

reconoce el cerebro. Actualmente se investiga en diversos mtodos para convertir el habla

Piel

Electrodos

Unidad externa Implante

TEMPORIZADORPULSOS

MODULADORRF

FUENTEALIMENTACION


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en patrones de estimulacin que permitan obtener una mayor similitud con la escuchanatural.

Figura 9.11. Diagrama de bloques de una prtesis coclear.

9.4. Desfibriladores

Se denomina fibrilacin al movimiento espasmdico, espontneo y local de las

fibras musculares. En el caso del corazn, la aparicin de fibrilacin ventricular produce

una prdida prcticamente total de la eficacia de bombeo y, por tanto, una anulacin del

flujo de sangre. Esta situacin debe corregirse rpidamente, dentro de los cinco minutos

siguientes, para evitar daos cerebrales irreversibles al paciente. Otras arritmias malignas,como algunas taquicardias,fluttero fibrilacin auricular, deben tambin corregirse. En el

primer caso se habla de desfibrilacin, mientras que para las otras arrtmias se sueledenominar cardioversin. Los mtodos utilizados son la desfibrilacin mediante frmacos

antiarrtmicos y la desfibrilacin elctrica. En este apartado nos centraremos en el segundo.

Electrodos

Piel

Unidad externa

Unidad implantada

GENERADORESTIMULOS

PROCESADORVOZ

CONTROLADORESTIMULOS


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La desfibrilacin elctrica se realiza aplicando una descarga entre dos electrodos

situados directamente sobre el corazn (durante una intervencin quirrgica o con

desfibriladores implantados), o a travs del trax (con desfibriladores externos), que pasa apotencial de accin las clulas miocrdicas. Al alcanzar el potencial de reposo de forma

sincronizada, pueden responder de nuevo al estmulo producido por el nodo sino-auricular

recuperando el ritmo cardaco. Los parmetros que determinan la eficacia de la

desfibrilacin son:

Amplitud de la descarga (demasiado pequea es inefectiva y muy grande puede

daar el miocardio).

Duracin de la descarga (suficiente para asegurar que todas las clulas pasan a

potencial de accin).

Energa disipada (producto amplitud-duracin).

Forma de onda (no se debe usar pulsos altos y estrechos ni formas asintticas).

Electrodos (se debe reducir su impedancia de contacto con geles y elegir el

tamao, que influye en la uniformidad de la corriente transtorcica)

La relacin entre amplitud y duracin es inversa, de manera que pulsos de menorduracin requieren mayor amplitud para conseguir la desfibrilacin. Las curvas intensidad-

duracin determinan los valores ptimos de los parmetros. En la prctica, y para el casode dispositivos externos, los pulsos suelen tener duraciones entre 3-10 msg, amplitudes de

algunos miles de voltios y decenas de amperios, y energas entre 50-360 julios. Los

valores son menores para dispositivos implantados y tambin en el caso de cardioversin.

Existen cuatro tipos de desfibriladores: de alterna, de descarga capacitiva, de

descarga capacitiva con lnea de retardo y de onda cuadrada. Los primeros desfibriladores

eran de corriente alterna. Obtenan los pulsos de descarga directamente de la red mediante

un transformador elevador. La tensin aplicada era de 80-300V para electrodos internos, yel doble con externos. La corriente a travs del paciente durante la descarga llegaba hasta

los 15 A. Estos desfibriladores tenan como inconvenientes su mala eficacia (necesitndosevarios intentos), el hecho de no servir para casos de fibrilacin auricular (ya que la anchura

excesiva de los pulsos generaba frecuentemente fibrilacin ventricular) y la posibilidad de

producir daos en msculos y miocardio.

Los desfibriladores de descarga capacitiva descargan a travs del paciente uncondensador cargado previamente a alta tensin. La forma de onda obtenida es la propia de

un circuito RLC, en el cual la resistencia es la que presenta el paciente, y la duracin del

pulso es menor que en el tipo anterior. La siguiente figura muestra el diagrama deeste tipo de desfibriladores. Se utiliza un transformador elevador regulable para obtener la

alta tensin deseada y posteriormente se rectifica, de manera que el condensador se carga auna tensin continua. La resistencia RS limita la mxima corriente de carga. Con el


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conmutador en la posicin C, el condensador se carga hasta la tensin mxima. Al pasar ala posicin D, se produce la descarga sobre la resistencia equivalente del paciente, RL. La

posicin de reposo corresponde al conmutador en R.

Fig. 9.12. Desfibrilador de descarga capacitiva.

Para modificar las caractersticas del pulso de estimulacin, aumentando el tiempo

en que se aplica energa con gran amplitud y haciendo la onda ms cuadrada, se utiliza un

doble circuito RLC, dando origen a otro tipo de desfibriladores conocido como de descargacapacitiva con lnea de retardo. De esta manera se necesita menores corrientes de pico para

conseguir la desfibrilacin.

Fig. 9. 13. Desfibrilador externo (Marquette Inc.).

RRS L

C D

C RL

AlimentacinRed


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Por ltimo, los desfibriladores de onda cuadrada utilizan tiristores que se disparanen el flanco de cada de la onda de estimulacin, descargando el condensador rpidamente

en la cola de la onda, en la que se aplica energa pero la amplitud es insuficiente para

contribuir a la desfibrilacin. Como en el caso anterior, este tipo de desfibriladores necesitaan menores corrientes de pico para conseguir la desfibrilacin.

Cardioversores

Al corregir la fibrilacin auricular, u otras arrtmias auriculares como taquicardia o

flutter, hay que evitar que la descarga se produzca a partir de la onda T (repolarizacinventricular), ya que hay un elevado riesgo de desencadenar fibrilacin ventricular. Los

cardioversores utilizados para este tipo de fibrilacin sincronizan la descarga con la

deteccin de la onda R para asegurar que las clulas miocrdicas ventriculares estn enperiodo refractario y, por tanto, no van a responder a la estimulacin.

Fig. 9.14. Diagrama de bloques de un cardioversor.

La figura 9.14 muestra el esquema genrico de un cardioversor. Bsicamente

consiste en una combinacin de monitor cardaco, que amplifica y realiza la deteccin de

ElectrodosECG

ElectrodosDesfibrilacin Conmutador

usuario

AMPLIFICADORECG

RETARDO YSINCRONISMO

DETECTORQRS

CIRCUITODISPARO

DESFIBRILADOR

VISUALIZACIN


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la onda R, y un desfibrilador. La seal de ECG captada por los electrodos correspondienteses amplificada y puede visualizarse en un dispositivo de presentacin. El detector de QRS

proporciona una de las entradas al circuito de sincronismo, que tambin produce un retardo

de 30 msg desde el comienzo de la onda R, asegurando as que todas las clulasventriculares estn en periodo refractario. La seal del conmutador accionado por el

usuario se sincroniza con esta seal y produce finalmente el pulso de control al circuito de

disparo, que produce la descarga del desfibrilador y desconecta tambin los electrodos de

captacin para evitar daos en el amplificador.

Desfibriladores implantables

Los desfibriladores cardioversores implantables (ICD: Implantable Cardioverter

Defibrillator) son dispositivos desarrollados para el tratamiento de pacientes con arritmiasque no responden a los tratamientos convencionales. El hecho de estar implantadospermite localizar directamente los electrodos en la superficie o en el interior del corazn,

necesitndose menor energa para conseguir la desfibrilacin. El primer ICD se implant

en 1980, y algunos aos ms tarde aparecieron los primeros dispositivos comerciales.

Respecto de la localizacin de los electrodos, los primeros dispositivos utilizaban

electrodos, tanto de deteccin como de estimulacin, sobre la superficie del corazn, por lo

cual requeran una intervencin quirrgica en el trax para su colocacin. Los sistemas

ms modernos utilizan un catter transvenoso para localizar un nico electrodo, que hace ala vez las funciones de deteccin y desfibrilacin, en el pex ventricular derecho, haciendo

menos invasiva la operacin de implante. La siguiente figura muestra ambaslocalizaciones.

La principal diferencia entre los desfibriladores externos e internos (implantados)

es la necesidad de estos ltimos de realizar un diagnstico automtico de la aparicin de la

arritmia. Aunque en los ltimos aos se ha empezado a incluir sistemas de ayuda al

diagnstico en los dispositivos externos, principalmente como apoyo a su utilizacin por

personal no especialista, la decisin final de producir la desfibrilacin suele recaer en el

operario del desfibrilador. En el caso de los ICDs, esta decisin es, obviamente, siempredel dispositivo. Para ello es necesario un algoritmo que realice un reconocimiento

automtico de la seal y determine la presencia de fibrilacin. Se ha desarrollado una gran

cantidad de algoritmos orientados a mejorar la fiabilidad de la deteccin, minimizandotanto el nmero de descargas no necesarias (que producen molestias innecesarias al

paciente y reducen la vida media de la batera), como la falta de desfibrilacin cuando se

requiere. Algunos de los parmetros ms frecuentemente utilizados para esta deteccin

son: el ritmo cardaco y el anlisis de su estabilidad, la morfologa de la seal y la funcin

densidad de probabilidad asociada al tiempo en que la seal est dentro de una ventana

centrada en la lnea base.


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Fig. 9.15. Localizacin del desfibrilador y cables: a) epicrdica; b) endocrdica. (J.

Bronzino Ed. "The Biomedical Engineering Handbook". CRC Press).

Fig. 9.16. ICD y electrodo (Medtronic Inc.).


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El error ms usual en la deteccin de la fibrilacin ventricular por parte de losalgoritmos de deteccin es su confusin con algunos tipos de taquicardia. Puesto que la

cardioversin puede realizarse con menores amplitudes que en el caso de desfibrilacin (5-

10V frente a 750V), resulta importante mejorar las tasas de aciertos. Para verificar elfuncionamiento de los ICDs, las ltimas generaciones permiten almacenar los

electrogramas y los resultados de la deteccin durante los episodios de arritmias. Esta

informacin puede recuperarse mediante dispositivos de acoplamiento magntico para su

anlisis por el especialista.

9.5. Instrumentacin quirrgica

Dentro de la instrumentacin electrnica utilizada en operaciones quirrgicas, queincluira los sistemas de monitorizacin ya comentados, se encuentran aquellos

dispositivos utilizados para sustituir al bistur clsico. Podemos destacar las unidadeselectroquirrgicas y los lseres. En este apartado nos centraremos en las primeras.

Las unidades electroquirrgicas (ESU: Electrosurgical Unit) inducen corrientes de

alta frecuencia a travs de tejido biolgico produciendo efectos de calentamiento que

pueden, segn su intensidad, generar diferentes efectos como cortar tejido, coagular, etc,

en funcin de las necesidades de la operacin. Para ello, el cirujano selecciona diferentes

formas de onda que producen los distintos modos de funcionamiento.

La siguiente figura muestra el diagrama genrico de una ESU. El oscilador de RFgenera la seal de alta frecuencia (entre 0.5-2.5 MHz), que es modulada en funcin del

modo de operacin seleccionado por el usuario. Este modo determina diferentes formas de

onda moduladora. Una vez modulada, la seal es amplificada por un amplificador de

potencia controlado por un circuito que el cirujano acciona durante la operacin,usualmente mediante un interruptor manual situado en el electrodo con el que aplica la

seal o por un interruptor accionado con el pie. El circuito de salida realiza la funcin de

adaptacin de impedancias entre el amplificador y los electrodos.

La corriente de RF se aplica entre un electrodo activo y otro dispersivo. El primero,

que es el que maneja el cirujano, concentra la corriente en una pequea rea de tejido,

produciendo incrementos locales de temperatura. Su apariencia depende del diseo de la

ESU, pero generalmente son parecidos a las puntas de prueba de un osciloscopio o polmetro. En el caso del electrodo dispersivo, su misin es disminuir la densidad de

corriente en los tejidos fuera de la zona de inters, asegurando as que no se producenefectos debidos a calentamiento. Por tanto, se disean con grandes superficies (70 cm2) y


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se utilizan geles para reducir su impedancia de contacto con la piel y adhesivos sensibles ala presin.

Fig. 9.17. Diagrama de bloques de una unidad electroquirrgica.

Actualmente las ESU suelen incorporar monitores que comprueban la integridad delos cables y electrodos, as como la corriente que fluye por el tejido en funcin del modo

seleccionado, desconectando la salida de la ESU en caso de fallo de funcionamiento para

evitar daos al paciente.

9.6. Requerimientos de seguridad

En este apartado se ofrece una breve visin de la problemtica de la seguridad en

la instrumentacin, que afecta al diseo, fabricacin instalacin, utilizacin y

mantenimiento de la instrumentacin mdica. Actualmente existen diversas regulacionesque definen las condiciones de seguridad que deben cumplir los equipos de utilizacin

mdica para obtener el marcado que les permite su comercializacin. En la UninEuropea, la normativa est recogida en tres directivas:Active Implantable Medical Device

Directive (AIMD), In Vitro Diagnostics Directive (IVD) y Medical Device Directive

Interruptorusuario

Electrodos

AMPLIFICADORPOTENCIA

GENERADORFUNCIN

CIRCUITOCONTROL

OSCILADORRF

CIRCUITOSALIDA

MODULADOR

SELECTORMODO


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(MDD). El aseguramiento en la calidad de la produccin se rige por las series EN 29000 y46000, y la seguridad tcnica por la EN 60601.

El objetivo de la seguridad es reducir el riesgo para el paciente, el operador, elentorno, el equipo y la instalacin. Los riesgos pueden tener un origen elctrico, o deberse

a radiaciones, errores en la utilizacin del equipo, averas de componentes u otros. En la

instrumentacin biomdica, la situacin se ve agravada por:

Sensibilidad del paciente a determinadas formas de energa, porque larealizacin de una medida o un tratamiento pueden privarle de sus defensas

naturales, como es el caso de un contacto elctrico por debajo de la piel.

El personal mdico puede estar sometido a exposiciones repetidas, como

ocurre en sistemas de radiologa.

Capacidad limitada de absorcin de energa del cuerpo humano. Por ello, para

cada accin no debe usarse ms que la adecuada a la finalidad pretendida.

Para alcanzar la seguridad deseada es necesario incorporar protecciones en elequipo, tomar medidas suplementarias externas y adoptar precauciones en la instalacin o

utilizacin. En este apartado vamos a centrarnos en la seguridad elctrica.

9.6.1. Seguridad Elctrica

Segn la definicin dada en EN 60601-1, el riesgo de choque elctrico se produce

cada vez que el operador est expuesto a partes del sistema o entorno entre las cuales

existan tensiones que excedan 25V AC 60V DC, y/o corrientes que superen las

corrientes de prdidas permitidas. Se habla de macrochoque cuando el contacto seproduce con la superficie del cuerpo, mientras que si se trata de un contacto transcutneo,

se denomina microchoque. Las consecuencias dependen de las caractersticas del cuerpo

humano y de la duracin del paso de la corriente.

Las corrientes elctricas producen alteraciones funcionales por estimulacin de

clulas excitables (tejidos nervioso y muscular) y destruccin irreversible de tejidos por

efecto Joule. En los tejidos excitables se ha encontrado experimentalmente una relacin

entre la intensidad y la duracin de la corriente necesarias para que se produzca laestimulacin. Se observa que para estmulos cortos hace falta mayor intensidad, y por ello

al aumentar la frecuencia es mayor la amplitud necesaria para lograr la estimulacin. Elmnimo de la curva aparece precisamente a la frecuencia de red. Por otra parte, por debajo

de una intensidad mnima no hay estimulacin aunque est aplicada durante largo tiempo.


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El nivel mnimo de intensidad que puede percibir una persona se denomina

umbral de percepcin (del orden de 1 mA a la frecuencia de red en contacto superficial).

Con intensidades mayores se alcanza la corriente limite de control muscular (del orden de16 mA a la frecuencia de red), para la cual no se puede soltar un conductor agarrado

mientras persista el estimulo debido que los msculos flexores de la mano son ms

potentes que los extensores. Con corrientes de 23 mA, aparecen dificultades respiratorias,

y riesgo de fibrilacin cardaca si el camino de la corriente incluye al corazn.

Adems de la frecuencia, la intensidad y el tiempo de aplicacin de la corriente as

como el peso de la persona influyen en los efectos comentados. Para corrientes mayoresde 100 mA se puede producir tetanizacin muscular (parlisis respiratoria si quedan

afectados los msculos del trax), y quemaduras externas si la densidad de corriente es

suficiente, con independencia de su frecuencia en este caso.

Realizacin de la seguridad en el equipo

Para analizar el modo de implementar la seguridad en el equipo desde un punto de

vista elctrico, consideremos el circuito de la figura 4.18. En este caso, las impedancias

que limitan la corriente a travs del operario o del paciente son: la impedancia de

aislamiento entre la fuente interna del equipo y su chasis externo (ZA), las impedancias de

contacto entre el operario y el aparato (ZC1) o el suelo (ZC2), la impedancia del cuerpohumano (ZH), la impedancia del suelo desde la posicin del operario hasta la toma de

tierra (ZS), y la de toma de tierra del neutro (ZN). A la frecuencia de red, la impedancia delcuerpo humano puede considerarse resistiva, con valores que dependen de la tensin

aplicada, y que van desde 2500 a 650 . Suponiendo contacto del operario con el

suelo, podemos considerar ZC2, ZS, y ZN mucho menores que ZH y ZA, por lo que el

circuito puede simplificarse, y la corriente vendra limitada por:

En el caso de un fallo en el aislamiento interno del equipo, el valor de ZA puedereducirse a menos de 1, y el valor de la corriente estar limitado exclusivamente por ZH.

Con valores usuales de E y ZH, la corriente puede alcanzar valores superiores a los 200mA, pudiendo producir fibrilacin cardaca.


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Figura 9.18. Circuito elctrico y simplificacin para riesgo de choque elctrico.

Segn el circuito simplificado, la corriente a travs del operario o del paciente

puede reducirse de tres modos: a) Disminuyendo E. b) Aumentando ZA. c) Colocando unaimpedancia en paralelo con ZH, de bajo valor, de manera que prcticamente toda la

corriente circule por dicha impedancia adicional, permitiendo adems activar algn tipode conmutador de proteccin. Estos modos caracterizan las distintas clases de equipos

definidas en las normas internacionales: clase I, clase II, clase III, y equipos con

alimentacin interna.

Un equipo de clase I tiene como medida de proteccin, adems del aislamiento

bsico ZA, un medio para conectar a tierra todas sus partes conductoras accesibles por

medio del conductor de proteccin de la instalacin elctrica. Esta conexin drena a tierra

las corrientes de fugas debidas a los acoplamientos capacitivos entre las partes internassometidas a tensin y las partes conductoras accesibles.

Un equipo se considera de clase II cuando su proteccin se basa en la presencia de

un aislamiento doble o reforzado, que eleva el valor de ZA, sin necesidad de una puesta a

tierra de seguridad..

En los equipos de clase III se utiliza una tensin de alimentacin pequea (hasta24 V si es de alterna y 50 V si es de continua).

Un equipo se considera de alimentacin interna cuando no requiere una conexina la red para su funcionamiento, o bien cuando no puede funcionar si se conecta la fuente

de alimentacin interna a la red (durante la recarga de la batera). En este caso, la fuenteinterna no est conectada a tierra de red.

ZA ZC1

ZH

E

ZC2

ZA

E Zh


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Figura 9.19. Equipos de clase I, II y III. "Introduccin a la Bioingeniera".

Marcombo.

El grado de seguridad alcanzado se evala a partir de las corrientes de fugas que

posee finalmente el equipo. Segn la directiva EN 60601-1, una parte aplicada sera una parte del equipo que se pone deliberadamente en contacto con el paciente (por

contraposicin, una parte viva sera aqulla que produce una corriente entre ella y tierra u

otra parte accesible del aparato cuando el usuario entra en contacto con la misma).


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Se definen las corrientes de fugas a tierra (a travs del conductor de tierra de la redelctrica), de la cubierta (entre la cubierta y tierra), y las corrientes auxiliar (las que fluyen

a travs del paciente entre diversas partes aplicadas) y funcional de paciente (entre

paciente y tierra). Las partes aplicadas pueden incorporar impedancias para restringir lacorriente funcional del paciente producida por desfibriladores cardacos o electrobisturs.

En funcin del grado de seguridad que ofrecen dichas partes, los equipos pueden ser de

tipo:

B: aquellos de clase I, II, III, o con alimentacin interna, con corrientesmximas permitidas de 5 mA. Si tienen una parte flotante aplicada al paciente,

se consideran tipo BF. Pueden emplearse en pacientes para aplicacionesexternas o internas excluyendo el corazn; por ejemplo, en hemodilisis.

CF: debe ser de clase I o II, o con alimentacin interna (pero no de clase III),

con una parte aplicada flotante y un alto grado de proteccin. Para aplicaciones

cardacas directas.

H: los de clase I, II, III o con alimentacin interna, que ofrezcan un grado de

proteccin comparable al de los electrodomsticos. Resto de equipos delhospital.

Realizacin de la seguridad en la instalacin

El riesgo de macrochoque se puede reducir utilizando un conductor de proteccine interruptores automticos y diferenciales, pero su sensibilidad es insuficiente para evitar

el riesgo de microchoque. En este ltimo caso, corrientes del orden de 20 A pueden

producir fibrilacin ventricular y, suponiendo una impedancia del cuerpo humano del

orden de 1 k, esta corriente se produce con diferencias de potencial de 20 mV.

La estructura de la instalacin condiciona este riesgo. Por ejemplo, el hecho de

disponer de varias lneas de conexin a tierra en la misma habitacin puede crear

diferencias de potencial entre aparatos conectados a cada una de ellas, debido a las

diferencias de tensin producidas por las corrientes de fugas de los equipos conectados alcircular por la resistencia distribuida de la lnea. Por otra parte, la utilizacin de una nica

lnea de tierra pero con aparatos conectados a distintos puntos de la misma tambin puedegenerar diferencias de tensin por el mismo motivo.

Para aumentar la seguridad de la instalacin, los equipos debern estar conectadosa un conductor de muy baja resistividad, al igual que todas las partes metlicas del

entorno que sean susceptibles de entrar en contacto con el operador o el paciente. De este


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modo, se obtiene una zona aproximadamente equipotencial. Puede obtenerse un grado deseguridad adicional mediante la utilizacin de transformadores de aislamiento.

Otros requerimientos

Las directivas especifican tambin los siguientes requerimientos:

Seguridad: aislamiento bsico (separacin entre circuitos y cubierta del aparato),

corrientes de fugas y resistencia del dielctrico.

Seleccin de componentes: fuente de alimentacin, transformadores y fusibles.

Construccin: cubierta externa, electrodos y conexiones con el paciente, conexincon la red.

Pruebas de funcionamiento: continuidad de la conexin con tierra, potencia de

entrada y limitaciones de voltaje y energa.

Pruebas mecnicas: presin, cadas, carga, impacto, estabilidad, pruebas en

sistemas de suspensin y en actuadores.

Compatibilidad electromagntica: inmunidad a interferencia de radiofrecuencia,inmunidad a descargas electrostticas e inmunidad a transitorios.

Biocompatibilidad: en funcin del tipo de contacto del dispositivo con el cuerpo

podemos distinguir: superficiales (prtesis externas, monitores, etc.), de

comunicacin externa (para flujo sanguneo extracorporal, tales como sistemas de

dilisis), y dispositivos implantables (marcapasos, desfibriladores implantables,

etc.). Las pruebas se especifican para citotoxicidad, irritacin, reactividad

intracutnea, etc.

Proteccin contra desfibrilacin: las impedancias de proteccin deben atenuar el pico de descarga del desfibrilador (utilizando una tensin de prueba de 5 kV) a

valores 1V en el equipo.

Requerimientos especiales: hacen referencia a la conexin con computadores,

aspectos de seguridad delsoftware, limpieza del sistema o documentacin anexa

(que debe incluir descripcin tcnica y una direccin de contacto para solicitar

informacin complementaria por parte del usuario).

Documents

Sistemas de Instrumentacion Medica