Medición de biopotenciales (Polígrafo Grass)

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1 1 Facultad Escuela Lugar de Ejecución : Ingeniería. : Biomédica : Laboratorio de Biomédica Medición de biopotenciales (Polígrafo Grass) Objetivos 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. Marco Teórico POTENCIALES BIOELÉCTRICOS 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.

2 2 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 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). 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

3 3 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 segundos respectivamente y se encuentran a la vez etiquetadas en la parte baja del interruptor ½ AMP LOW FREQ. 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.

4 4 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: Este

5 5 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, desde aproximadamente 30 hasta 250 mv/cm. El control DRIVER SENSITIVITY se fija en conjunto con la circuitería de calibración auto-contenida.

6 6 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. - Referencia única, - Impedancia de entrada de 10 kω o mayor, - Impedancia de salida de 1 kω o menor. Las especificaciones para las clavijas J5, J6 y J6A son las siguientes:

7 7 - Entrada J5 : 1.2 MΩ - Salida J6, J6A : 100 Ω, carga mínima de 3 kω 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 (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

8 8 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 Ω no debe ser utilizado.

9 9 Materiales y equipos N Cantidad Descripción Poligrafo GRASS Electrodos Preamplificador de Banda Ancha AC y EEG Regleta para Cables de Entrada. Osciloscopio Simulador de Paciente ó Gel Electro conductiva Recomendaciones Tenga orden y aseo para trabajar. 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).

10 10 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. 7. Encienda tanto el Preamplificador 7P como el Amplificador del Manejador 7DA. 8. Siguiendo las instrucciones del marco teórico, seleccione los diferentes valores prefijados 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.

11 11 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. 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.

12 12 Análisis de resultados - Describa en detalle los siguientes diagramas de respuesta en frecuencia del equipo que ha utilizado en la práctica. - Cual es la relación existente entre la frecuencia y la constante de tiempo que se encuentra prefijada 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).