Dispositivo de Adquisición y Procesamiento de Bioseñales. GUSTAVO ROJAS MEDINA
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UABS Diagrama de bloques
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Digrama de bloques.


Aquí se describen los bloques de la Unidad de Adquisición de Bioseñales, sus principos de funcionamiento y características técnicas.



PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.

Los equipos de instrumentación utilizados en la medición de potenciales bioeléctricos (bio-señales eléctricas fisiológicas) están diseñados con el propósito de captar, acondicionar y cuantificar la señal obtenida (conocer las caracterìsticas y naturaleza del sistema medido). Ésto, se logra al realizar el siguiente procedimiento:

1. Se debe generar una señal de estimulación (natural, luminosa o espectro visible, auditiva, táctil u otra) de forma controlada para obtener una respuesta (generación de potenciales de acción). En el caso de la ERG, se obtienen potenciales en la retina, por la excitación de las células foto-captoras de ella.
2. Los potenciales iónicos generados, son captados y convertidos en señales eléctricas la ayuda de electrodos de superficie u otros. En ERG, en la región frontal o lóbulo de la oreja el electrodo de referencia y en la sien el activo, finalmente el electrodo corneal (sobre la córnea) posee una abertura en su centro.
3. El potencial eléctrico obtenido a partir de los electrodos, se encuentran con magnitudes que oscilan entre unos cuantos micro-voltios (cientos de microvoltios para la ERG) hasta algunos milivoltios; por lo cual, es necesario amplificar la señal, entre unos 60 dB y 100 dB (decibeles) y garantizar la reducción de señales de modo común (alta RRMC entre 80 dB y 120 dB). Esta tarea se realiza de forma bipolar con amplificadores de instrumentación.
4. En el proceso de captura y amplificación, es normal que existan componentes de frecuencia fuera del rango normal de una señal de ERG (0.05 Hz a 50 Hz) y aparezcan artefactos por movimientos musculares y otras señales indeseadas que deben ser atenuadas o eliminadas. Los filtros son utilizados para limitar los rangos de frecuencia, garantizar baja distorsión y determinar la respuesta frecuencial del sistema.
5. Una vez la señal se ha sido “magnificada y limpiada”, esta lista para ser cuantificada, sin embargo por seguridad del paciente, se aísla eléctricamente el conjunto de subprocesos anteriores con el uso de sistemas ópticos, inductivos, por dieléctrico u otros.
6. Cuando la señal posee las características apropiadas de amplitud y componentes de frecuencia, se procede a su cuantificación a través de un sistema de procesamiento digital de señal para extraer información de la naturaleza y comportamiento de la retina.
7. Los resultados obtenidos son mostrados con la ayuda de dispositivos de visualización.

PARTE 1 O DE CAPTURA Y PROCESAMIENTO ANALÓGICO DE LA SEÑAL (PAS).

FUENTE DE PODER: Fuente de alimentación de la etapa de adquisición previa. Esta debe cumplir entre otras las siguientes características:
1.      Ser analógico o mixta.
2.      De respuesta lineal.
3.      Poseer baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida.
5.      Debe alimentarse con una batería recargable DC de 3 Voltios a 12 voltios.
6.      Debe poseer un cargador rápido.
7.      Debe tener circuito de protección por inversión de polaridad.
8.      Debe generar una salida dual a partir de fuente sencilla (Conversor DC - DC DUAL).
9.      Debe tener sistema anti-corto y con circuito de control de nivel de corriente.
10.    Permitir su habilitación o deshabilitación.
11.    Ser elaborado con componentes de bajo costo y de fácil adquisición.

ACOP S/T (Acoplamiento de sensores/transductores): Atapa de acoplamiento para los distintos sensores/transductores, que puede incluir desde captadores de potenciales hasta convertidores específicos como de corriente (A) a voltaje (V). Es una de las etapas finales del sistema y se ajusta de acuerdo a las diferentes señales que se deseen adquirir.

MUX DEMUX (Multiplexor/demultiplexor): Sistema elaborado para realizar varias mediciones con el uso de un solo canal de procesamiento (para el caso de un electrocardiógrafo, este sería el selector de 12 derivaciones).

Este sistema debe tener entre otras las siguientes características:
1.      Ser analógico.
2.      De respuesta lineal.
3.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida.
5.      Obtener y manejar señales desde micro-voltios.
6.      Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
7.      Permitir el control de forma digital.
8.      Permitir su habilitación o deshabilitación.
9.      Ser de bajo costo y de fácil adquisición.

Este sistema se selección es tan complejo como “derivaciones” se deseen obtener y obligan a elevar la frecuencia de muestreo (Fs) de cada una de ellas de acuerdo con el nacho de banda de las señales a adquirir. En el caso de la electrocardiografía, el BW=150 Hz, para 12 derivaciones (adjuntando la red de Wilson), obliga a realizar una Fs≥20Fmáx para reducir la distorsión por cada derivación y superar el criterio de Nyquist (FS≥2Fmáx); por lo tanto exige una Fs total de 36 KHz. Esta exigencia para a la unidad de micro-control o de supervisión.

PRE-AMP UNIPOLAR Y PRE-AMP BIPOLAR (PREAMPLIFICACIÓN UNIPOLAR Y BIPOLAR): Esta etapa se constituye por amplificadores, uno unipolar y otro bipolar, que serán seleccionados de acuerdo a la naturaleza de la señal adquirida con la ayuda del siguiente MUX/DEMUX y que a su vez lo controla unidad de supervisión.

Este sistema debe tener entre otras las siguientes características:
1.      Ser analógico.
2.      De respuesta lineal.
3.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida y estable.
5.      Obtener y manejar señales desde los micro-voltios o menos.
6.      Diseñarse con alta RRMC (Relación de rechazo de modo común).
7.      Tener valores de Voff-set tendientes a cero.
8.      Ganancia de ≥ 40 dB.
9.      Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
10.  Ser de bajo costo y de fácil adquisición.

TF (TIERRA FLOTANTE): Este circuito es necesario para establecer un punto de referencia eléctrica (cero voltios) con relación a la entrada diferencial proveniente del paciente (usuario); es decir, para la amplificación bipolar, se requiere de la elaboración de una tierra en este caso flotante (diferente de la tierra de la alimentación del circuito de adquisición) para garantizar la referencia eléctrica del paciente, sin exponer a riesgos por circulación de corrientes electrónicas en el sujeto de prueba (Choque eléctrico). La tierra generada para las señales captadas de be cumplir los siguientes requisitos, entre otros:

1.      Ser analógico.
2.      De respuesta lineal.
3.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida y estable.
5.      Obtener y manejar señales desde los micro-voltios o menos.
6.      Generar un cero eléctrico para las señales de entrada con al menos -60 dB de atenuación.
7.      Diseñarse con alta RRMC (Relación de rechazo de modo común).
8.      Tener valores de Voff-set tendientes a cero.
9.      Garantizar respuesta en el ancho de banda de trabajo de las señales adquiridas.
10.    Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
11.    Ser de bajo costo y de fácil adquisición.

AIP (AJUSTE DE ISOPOTENCIAL): Esta sección o unidad de la UABS, está ligada a la encargada de aumentar en amplitud las bio-señales captadas por los sensores (PRE-AMPLIFICACIÓN), y es utilizada para realizar los ajustes necesarios para evitar los artefactos como los producidos por movimientos musculares o por señales de baja frecuencia (como el caso de la respiración) en una prueba de electrocardiografía, que impiden el trazo de la señal sobre un nivel continuo. En el caso de los potenciales obtenidos a través de electrodos como los de Ag-AgCl (Plata- Cloruro de Plata), ayudan a disminuir o eliminar los artefactos introducidos por la interfase electrodo- piel.

Debe cumplir los siguientes requisitos, entre otros:

1.      Ser analógico o mixto.
2.      De respuesta lineal.
3.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida y estable.
5.      Obtener y manejar señales desde micro-voltios o menos típicamente voltaje de corriente continua.
6.      Diseñarse con alta RRMC (Relación de rechazo de modo común).
7.      Tener valores de Voff-set tendientes a cero.
8.      Garantizar respuesta en el ancho de banda de trabajo de las señales adquiridas.
9.      Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
10.    Ser de bajo costo y de fácil adquisición.

Es posible que esta etapa (PARTE 1), requiera de un sistema de ajuste de Voff-set general, que garantice salida cero para entradas cero del sistema.

AISLAMIENTO DE INTERFERENCIAS ELECTROMANÉTICAS: Todas las etapas anteriores se encuentran en un “cerramiento” que debe garantizar la inmunidad a interferencias de ondas radioeléctricas, microondas y luminosas, entre otras.

CG (CONTROL DE GANANCIA): Esta sección, se utiliza para ajustar el nivel de la señal en proceso, la razón radica en que entre usuario y usuario (pacientes) y el tipo de bio-señal a adquirir, las amplitudes varían. Para controlar la ganancia del sistema, se debe  aumentar la amplitud (AMP) de las bio-señales “débiles” y atenuar (AT) o reducir la magnitud de la bio-señal en proceso en el caso de señales de gran amplitud. Sirve por lo tanto, para evitar la saturación del sistema y evitar la distorsión.

Este sistema puede ser sencillo y realizar cambios de a 20 dB para un rango desde -20 dB hasta 80 dB, que sumados con la etapa de pre-amplificación brindan un rango total de 20 dB a 120 dB; o robusto para realizar cambios o pasos de a 5 dB o menos para el mismo rango. De esta forma, el sistema total garantizaría un rango de entrada desde niveles de micro-voltios hasta niveles en voltios.

Debe cumplir los siguientes requisitos, entre otros:

1.      Ser analógico o mixto.
2.      De respuesta lineal.
3.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida y estable.
5.      Diseñarse con alta RRMC (Relación de rechazo de modo común).
6.      Tener valores de Voff-set tendientes a cero.
7.      Garantizar respuesta en el ancho de banda de trabajo de las señales adquiridas.
8.      Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
9.      Ser de bajo costo y de fácil adquisición.

Para el caso particular de bio-señales se prefiere no utilizar control automático de ganancia (CAG), debido a que puede producir distorsión de amplitud en ellas.

Esta unidad se controla desde la unidad de supervisión.

FRB (FILTRO RECHAZA BANDA): Necesario para eliminar las interferencias introducidas por el ruido producido por la red eléctrica (60 Hz en Colombia). Aunque otros procesos de filtrado se realizan durante el procesado de la señal, este es obligatorio en la etapa de adquisición aun con alimentación D.C..

Debe cumplir los siguientes requisitos, entre otros:

1.      Ser analógico.
2.      De alta selectividad (Q) ≥ 20, por lo tanto de banda estrecha.
3.      No debe causar distorsión en amplitud en la banda de paso.
4.      No debe causar distorsión por fase en la banda de paso.
5.      No debe generar distorsión armónica.
6.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
7.      Ser de respuesta rápida y estable.
8.      Obtener y manejar señales desde los micro-voltios o menos.
9.      Diseñarse con alta RRMC (Relación de rechazo de modo común).
10.    Tener valores de Voff-set tendientes a cero.
11.    Garantizar respuesta en el ancho de banda de trabajo de las señales adquiridas.
12.    Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
13.    Ser de bajo costo y de fácil adquisición.

AISLAM (AISLAMIENTO): Dispositivo utilizado para aislar la etapa de bio-adquisición de baja potencia de las siguientes secciones del sistema y que corresponden a procesamiento analógico posterior, procesamiento digital y de cuantificación, sistemas de registro, visualización u otros.

Esta, se encarga de proteger al usuario y al dispositivo de adquisición previo de corrientes de gran magnitud utilizadas en las etapas posteriores o sistemas de interfaz.

Debe cumplir los siguientes requisitos, entre otros:

1.      Ser analógico.
2.      Lineal.
3.      Poseer alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
4.      Ser de respuesta rápida y estable.
5.      Obtener y manejar señales desde los micro-voltios o menos.
6.      Diseñarse con alta RRMC (Relación de rechazo de modo común).
7.      Tener valores de Voff-set tendientes a cero.
8.      Garantizar respuesta en el ancho de banda de trabajo de las señales adquiridas.
9.      Alimentarse con voltajes iguales o superiores a ±3 voltios.
10.    Ser de bajo costo y de fácil adquisición.
11.    No requerir sistemas de transposición de frecuencia.
12.    No utilizar sistemas reactivos.
13.    No requerir circuitería externa como relojes.

La información contenida en este documento obedece a trabajos previos del autor (experiencia industrial y académica).


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