Instrumentación Biomédica: Amplificadores, Señales Bioeléctricas y Electrodos

Amplificadores en Instrumentación Biomédica

Amplificador Operacional (Op-Amp)

El amplificador operacional (Op-Amp) se caracteriza por una alta ganancia ($G$), un elevado factor de rechazo en modo común ($CMRR$) y un gran ancho de banda. Se utiliza principalmente para implementar una amplia variedad de operadores analógicos, donde interviene como elemento amplificador integrado en un lazo de realimentación negativa que determina su funcionalidad específica.

Características principales:

• Las corrientes en sus dos terminales de entrada son prácticamente nulas.
• No introduce carga sobre el circuito conectado a su entrada.
• La tensión de salida ($V_o$) no se modifica al conectar una carga en la salida.
• No atenúa ninguna señal de entrada.

Amplificador de Instrumentación

Requerimientos del sistema:

El amplificador debe contar con tensiones y corrientes de offset mínimas. Asimismo, el circuito de acondicionamiento debe presentar características de funcionamiento diseñadas para minimizar la influencia del ruido electromagnético. En ciertas aplicaciones, los sensores y moduladores deben permanecer aislados galvánicamente del circuito de acondicionamiento.

Funciones y aplicaciones:

• Amplificar la señal procedente de los elementos sensores.
• Aislar los sensores del resto del sistema electrónico.
• Amplificar señales en ambientes de condiciones extremas.

Características técnicas:

Es un amplificador diferencial que presenta las siguientes propiedades:

• Alta impedancia de entrada ($ ext{alta } Z_{in}$).
• Alto factor de rechazo en modo común ($ ext{alto } CMRR$).
• Ganancia estable, ajustable mediante una sola resistencia ($1R$).
• Alta ganancia ($ ext{alta } G$) y amplio ancho de banda.
• Tensiones y corrientes de asimetría muy bajas.
• Baja impedancia de salida ($ ext{baja } Z_{out}$).

Fuentes de Radiación en Sistemas Ópticos

• Continuas: Presentan un espectro de emisión continuo que abarca radiación ultravioleta, visible e infrarrojo cercano (por ejemplo, lámparas).
• Discretas: Presentan un espectro de líneas de emisión, con haces de radiación intensos y estrechos, caracterizados por una luz monocromática y coherente en las regiones ultravioleta, visible e infrarrojo (por ejemplo, fuentes láser).

Biopotenciales y Registro Electrofisiológico

Concepto y Registros Frecuentes

Los biopotenciales son señales eléctricas que se registran sobre tejidos vivos. Se originan a nivel celular y se propagan hasta la superficie corporal, manifestándose de formas diversas según el tipo celular o sistema fisiológico en el que se originen, aportando información fundamental sobre su funcionamiento.

Entre los registros bioeléctricos más conocidos destacan:

• ECG: Electrocardiograma (actividad cardíaca).
• EEG: Electroencefalograma (actividad cerebral).
• ENG: Electroneurograma (actividad neuronal periférica).
• EMG: Electromiograma (actividad muscular).

Modelo de Volumen Conductor

El modelo de volumen conductor permite comprender los mecanismos de generación y dispersión de los biopotenciales. Asume que alrededor de toda célula excitable existe un medio conductor por el cual se propaga la actividad bioeléctrica celular; dicho entorno consiste en un medio salino que simula la composición de los fluidos corporales.

El modelo consta de una fuente de señal bioeléctrica —representada como una fuente de corriente constante— conectada al medio resistivo circundante. El potencial propagado es de naturaleza trifásica, exhibiendo una forma de onda con tres estados definidos.

Electrocardiografía (ECG)

La electrocardiografía consiste en el registro de los potenciales eléctricos medidos sobre la superficie corporal, originados por la actividad eléctrica de las células cardíacas conforme se propagan por el medio de volumen conductor que conforma el tórax.

• Rango de frecuencia: $0.1 ext{ a } 500 ext{ Hz}$.
• Amplitud de la señal: $60 ext{ }μ ext{V a } 5 ext{ mV}$.
• Modelo de dipolo eléctrico (vector cardíaco): La actividad cardíaca se modela como un dipolo eléctrico que varía en magnitud y dirección de manera continua. Los potenciales generados alcanzan la superficie del cuerpo, permitiendo caracterizar el vector cardíaco mediante el registro de sus componentes en proyecciones o derivaciones específicas.

Principio de Funcionamiento de los Electrodos

Los electrodos actúan como la interfaz física entre la superficie de los tejidos vivos y el sistema electrónico de medida, funcionando en esencia como transductores.

Su función primordial radica en realizar una conversión entre la corriente iónica (cuyos portadores de carga en los tejidos vivos son iones) y la corriente electrónica (cuyos portadores en el metal del electrodo son electrones). Este proceso introduce retos de diseño y limitaciones instrumentales.

El modelo básico describe esta transición mediante la interfaz electrodo-electrolito, la cual modela la interacción con los fluidos corporales que contienen electrolitos iónicos.