BIOINSTRUMENTACIN I
UNIDAD # 1
SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
1. Proceso de medida
2. Caractersticas estticas de los sistemas de medida.
3. Incertidumbre en las medida.
4. Caractersticas dinmicas de los sistemas de medida.
5. Seales ruido e interferencias.
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UNIDAD # 1
SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
Instrumentacin biomdica Caractersticas dinmicas
Caractersticas dinmicas - Elementos almacenadores de energa respuesta no instantnea. - Determinacin del comportamiento dinmico del sistema.
- Velocidad de respuesta (retardo)
No crtico en medidas de una sola variable. En sistemas con realimentacin posibilidad de oscilaciones.
- Error dinmico
Diferencia entre el valor medido y el valor final para un instante dado.
- Descripcin del sistema
Ecuacin diferencial Funcin de transferencia Respuesta en frecuencia
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Caractersticas dinmicas - Caracterizacin del sistema:
Salida a seales tpicas
Escaln Impulso Rampa
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Caractersticas dinmicas
- Seales peridicas:
Descomposicin en serie de senoides. Efecto de la respuesta frecuencial sobre las componentes de
la serie.
Deformacin y retardo en la seal de salida.
- Clasificacin de los sistemas en funcin del nmero de
elementos almacenadores de energa: orden 0, 1, 2,
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Caractersticas dinmicas - Salida para entrada sinusoidal: respuesta frecuencial
- Ganancia: |H| = yp/xp - Retardo: Td
- Desfase: = 360Td/T ( ) = 2Td/T (rad)
ftxtx 2sin)( p
H(f)x(t) y(t)
|H(f)|
f
ff
x(t)
y(t)
Td
-
x,y
t
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Caractersticas dinmicas - Sistema de orden cero. Ningn elemento almacenador de energa
- Ejemplo: Potencimetro:
Movimiento (circular, lineal) seal elctrica x: desplazamiento (0-1) y: tensin de salida Mdulo constante No hay desfase entre desplazamiento y tensin de salida
|H(f)|
f
ff
1-x
x
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Caractersticas dinmicas - Sistema de orden uno. 1 elemento almacenador de energa
- Ejemplo: Termmetro sin recubrimiento:
Almacenamiento de energa en la capacidad calorfica de la sonda No hay retardo en la transduccin, sino en alcanzar la temperatura Entrada en escaln: x(t) = u(t) (sumergir el termmetro)
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200
t/s
T/
C
Serie1
- Salida
- Error dinmico:
ed = -36,8% (t = ) ed = -13,5% (t = 2) - Retardo:
Td =
tekty 1)(
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Caractersticas dinmicas - Sistema de orden uno. 1 elemento almacenador de energa
s
KsH
fj
KfH
1)( o
21)(
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2
2nd
d2
1arcsin
1
sin1
1)(n
te
tyt
Caractersticas dinmicas - Sistema de orden dos. 2 elementos almacenadores de energa
- Ejemplo: Termmetro con recubrimiento, sistema masa-resorte,
catter lleno de lquido
- Respuesta escaln
El retardo depende del amortiguamiento . Valor ptimo 0,5 < < 0,8
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Caractersticas dinmicas - Sistema de orden dos. 2 elementos almacenadores de energa
- Ejemplo: sistema masa-resorte (bscula pesa-persona)
- Entrada: impulso (rebote de una pelota)
Pulso mecnico
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 -0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3 T
ensi
n/V
t/s
V1
Vn
n ciclos
T
2n
n
V
V
n
2
ln 1
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Caractersticas dinmicas - Sistema de orden dos. 2 elementos almacenadores de energa
- No existe un nico retardo
- Criterio conservador: No aplicar frecuencias fuera de la zona plana
2nn
2
2n
2)(
sssH
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Instrumentacin: Ciencia y tecnologa
- Diseo y utilizacin de instrumentos fsicos
- Indicacin, observacin medida.
- Tratamiento de datos, control automtico
Instrumento: Dispositivo para medir, registrar, controlar el
valor de una magnitud en observacin
Medir: Asignar objetiva y empricamente un nmero a una
cualidad de un objeto, de forma que represente sus
propiedades
Objetivos de la instrumentacin biomdica
- Obtener informacin sobre los seres vivos
- Ayudas funcionales
Instrumentacin biomdica. Definiciones
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Finalidad de las medidas:
- Conocimiento:
a) investigacin
b) diagnstico
- Monitorizacin:
a) cuidados intensivos
b) quirfanos
c) casa, oficinas, etc.
d) Situaciones especiales
- Control no necesita ser visualizado por el usuario
Instrumentacin biomdica. Definiciones
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Medidas en seres vivos:
- Proceso:
Realizacin de medidas Diagnstico Terapia/Ciruga
Rehabilitacin
- Restricciones
a) Ausencia de patrones
b) Interaccin entre los diversos sistemas fisiolgicos
c) Algunos sistemas vivos son inaccesibles.
Instrumentacin biomdica. Definiciones
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Caractersticas de la bioinstrumentacin NO ALTERACIN de la cantidad a medir - Formas de interaccin: Fsica (directa)
Bioqumica
Fisiolgica
Psicolgica sndrome bata blanca - IDEAL: Medidas no invasivas y sin contacto
- Excepcin: Sistemas de estmulo-respuesta
VARIABLES MEDIDAS - Seales no deterministas
- Variacin de una persona a otra
- Lazos de realimentacin desconocidos i.e.: sistema nervioso - Medida simultnea de diversas magnitudes
- Mrgenes de variacin
Tensin: < 1 mV Frecuencia: DC a 20 kHz.
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Tipos de medidas - Segn sujeto/objeto a medir:
In vivo In vitro
- Segn mtodo de medida. Clasificacin temporal
De forma continua Muestreadas
- Accesibilidad
Directas: acceso directo a la variable a medir (temperatura corporal, peso)
Indirectas: - variable relacionada con la deseada (gasto cardiaco a partir de
gases respirados, composicin corporal)
- Aporte de material o energa, interaccin (rayos X).
Caractersticas de la bioinstrumentacin
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Rango de la Seal
Sensor de Presin miniatura
Clula de Carga
0 20 m/s2
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Qu es una seal?
Una seal es la representacin grafica de la informacin como una funcin de una variable independiente (Ej.: El tiempo). La salida de un aparato de medicin (Ej.: Barmetro, Antena).
t
A
T
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Tipos de seales
Seal: Componente de una variable que contiene informacin sobre el objeto. Puede ser aleatoria o determinista
- Tipos:
Analgica: Variacin continua. Informacin contenida en la amplitud Digital: Variacin discreta. Toma valores de un conjunto finito - Amplitud:
Diferencia entre el mximo positivo y el mximo negativo (pico a pico)
La raz cuadrada media de la amplitud (rms) es conveniente para medir la variabilidad de la seal
- Potencia: Es el tiempo promedio del cuadrado de la variable
- Espectro de potencia: Distribucin de la potencia correspondiente a
las componentes de frecuencia de una variable.
2x(t)
2)(tx
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Fuentes tpicas de seales biomdicas
Elctricas: ECG, EMG, EEG, EOG Imgenes: MRI (Resonancia magntica), Ultrasonido. Sensores (Transduccin mecnico-elctrica): Strain gauge, transductores de fuerza o presin, temperatura. Sensores a nivel microscpico (celular): foto celdas, electrodos bioactivos.
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Seales discretas y continuas
Continuas: seales definidas en todas las instancias del tiempo: x(t), p(t)
Discretas: seales que solo asumen ciertos valores (enteros) definidos: x[0], x[1], etc.
Las seales discretas pueden tambin nacer del muestreado de seales de naturaleza continua.
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Tipos de seales
Determinsticas (Ej.: Onda Senoidal, step (Pasos) y el impulso ): Predecibles
Estocsticas (Ej.: Ritmo Cardaco): probabilidad
Fractales (Ej.: SMA Arterial).
Caticas: determinsticas pero no predecibles en el futuro. (Ej.: Respiracin, EEG).
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Interfaz: - Elementos que modifican la seal.
- Trabajan en el dominio elctrico.
- Tambin sirve para convertir el dominio de datos, ej.: convertidor A-D.
Dominio de datos: - Nombre de una cantidad usada para representar o transmitir informacin.
- Tipos de dominios:
Analgicos: la informacin viene dada en la amplitud - Carga.
- Tensin.
- Temporal: la informacin viene dada en el tiempo - Periodo o frecuencia.
- Ancho de pulso.
-
Interfaces, dominio de datos y conversin
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Digital: La seal slo tiene 2 valores - Cuentas (nmero de pulsos)
- Cdigos
-
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Estructura de un sistema de medida
Mesurando
Transductor de
entrada
(detector)
Acondicionador
de seal
Transductor de
salida
(registrador o
display)
Fuente de
alimentacin
auxiliar
Fuente de
alimentacin de
entrada
Seal de
calibracin
Seal
de
entrada
Seal
transducida Seal de
salida
Entrada Salida: Flujo primario de informacin. Salida Entrada: Realimentacin. Siempre presente (deliberada o parsita).
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Ejemplos: Marcapasos de demanda
Estructura de un sistema de medida
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33/41
Ejemplos: Potenciales evocados
Estructura de un sistema de medida
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Clasificacin de la bioinstrumentacin Criterios de clasificacin - Segn MAGNITUD MEDIDA
Presin Flujo Temperatura ... - Segn PRINCIPIO DE TRANSDUCCIN
Resistivos Inductivos Capacitivos - Segn SISTEMA FISIOLGICO bajo medida
Cardiovascular Respiratorio
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Parmetro Margen de
medida Ancho de banda (Hz) transductor
Flujo sanguneo 1-300 ml/s 0-20 Flujometro
Presin sangunea 10-400 mmHg 0-50 Varios
Gases en sangre
PO2
30-100 mmHg 0-2 Electroqumico
PCO2 40-100 mmHg 0-2 Electroqumico
PN2 1-3 mmHg 0-2 Electroqumico
PCO 0,1-0,4 mmHg 0-2 Electroqumico
PH 6,8-7,8 unidades ph 0-2 Electroqumico
Gasto cardiaco 4-25 l/m 0-20 Dilucin
Caractersticas de la bioinstrumentacin Seales a medir y mrgenes de variacin
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Parmetro Margen de
medida
Ancho de banda
(Hz) transductor
ECG 0,5-4 mV 0,01-250 Electrodos
EEG 5-300 V 0-150 Electrodos
ECoG 10-500 V 0-150 Electrodo quirrgico
EMG 0,1-5 mV 0-10K Electrodo de aguja
Temperatura 32-40 oC 0-0,1 Termistor
Respiracin 2-50 rpm 0,1-10 Electrodos
Pletismografia Segn rgano 0-30 Cmara de
desplazamiento
Fonocardiografa 80 dB 5-2K Micrfono
Caractersticas de la bioinstrumentacin Seales a medir y mrgenes de variacin
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SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
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Interferencias y perturbaciones internas: - Interferencias: perturbaciones externas inherentes al principio de medida - Perturbaciones internas:
Debidas al sistema de medida. Entradas modificadoras Afectan indirectamente a la salida debido a su efecto sobre las caractersticas del sistema de medida
FI
FP,I
FP,S
FS
y(t)
yI(t)
yS(t)
xI
xP
xS
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UNIDAD # 1
SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
Qu es ruido?
Componentes indeseados de una seal. [Se debe definir a priori que es definido como componentes deseados o no de una seal].
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SENSORES BIOMDICOS
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Ejemplo: Electrocardiograma - Interferencias: Campo elctrico de 60 Hz
- Perturbaciones: Orientacin de los cables
Fluctuacin impedancia electrodos
Ruido
RESULTADO: - ECG + 60 Hz a la salida
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UNIDAD # 1
SENSORES Y SEALES BIOMDICAS
Esp. TSU ngel R. Morales P.
Caractersticas estticas y dinmicas Sensor de presin serie MPX2050
BIOINSTRUMENTACIN I
UNIDAD # 1
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