Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación IIICuaderno de Prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Para la carrera de Ingeniería Biomédica en la UPIBI De acuerdo al Plan de Estudios del 2009 Elaborado y desarrollado por: M. en C. Lilia Maricela Padrón Morales Con la colaboración de: M. en C. José Luis Hernández Zamora Ing. Rosa María Ocampo Romo Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 0 Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Contenido Introducción………………………………………………………………… 2 Práctica 1 ESTIMULADOR ANALGÉSICO ...................................................................... 4 Práctica 2 SIMULADOR DE ECG……………………...………………………………..…. 14 Práctica 3 MARCAPASOS POR INHIBICIÓN MARCAPASOS VENTRICULAR EXCITATORIO........................................... 20 Práctica 4 BOMBA DE CIRCULACIÓN CONTROL DE FLUJO PARA BOMBA PERISTÁLTICA…………………………………………………………………….… 32 Práctica 5 DESFIBRILADOR CARDIACO DE DESCARGA CAPACITIVA DE ONDA SENOIDAL AMORTIGUADA CON CARDIOVERSIÓN ……………………………………………………………..………… 42 Práctica 6 ELECTROCAUTERIO MONOPOLAR…………………………………………………….… 57 Práctica 7 TRANSMISIÓN ULTRASONICA DETECTAR EL PULSO O LATIDO CAROTÍDEO CON UN MICROFONO DE CRISTAL PIEZOELÉCTRICO ..................................... 67 Práctica 8 RESPIRADORES Y VENTILADORES MEDICION DE LA FRECUENCIA RESPIRATORIA HACIENDO USO DE UN TERMISTOR………….…………………………………………….…76 Conclusiones…………………………………………………………………………………. 80 Bibliografía………………………………………………………………………………………81 Anexos ……………………………………………………………………………..………….… 83 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 1 Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III INTRODUCCIÓN El presente cuaderno de prácticas de laboratorio, está apegado al programa de estudios de la Unidad de Aprendizaje de Bioinstrumentación III, materia de tipo teórico práctico del séptimo semestre que forma parte del plan de estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica que se imparte en la UPIBI, por ser alumnos de últimos semestres se supone que cuentan con bases sólidas de electrónica, sistemas analógicos y sistemas digitales pues previamente han cursado y aprobado estas materias correspondientes del plan de estudios por tal motivo, se trabaja mucho en base a los diagramas a bloques de los equipos médicos dejando libertad al alumno sobre la selección de los C.I. necesarios para desarrollar la práctica, siempre y cuando logren el objetivo esperado. Este cuaderno de prácticas se ha convertido en una excelente herramienta didáctica para orientar a los alumnos de la carrera de Ingeniería Biomédica dentro de la escuela ya que les permite integrar los conocimientos y fundamentos teóricos de los instrumentos médicos y los transductores para desarrollar sus habilidades prácticas al trabajar en el diseño de prototipos sencillos con fines didácticos de instrumentos biomédicos, su mantenimiento y calibración. Se tratan aplicaciones de la electrónica al campo de la instrumentación médica, cada una de las prácticas presentadas dentro de este cuaderno de fue seleccionada y adaptada para su uso seguro dentro del laboratorio de Bioinstrumentación III, cada una cuenta con fundamentos teóricos sólidos de respaldo que sirven de apoyo para la integración del conocimiento del alumno, en muchas de las prácticas se requirió además de que el alumno hiciese adaptaciones y modificaciones para el uso médico de transductores y servomecanismos conseguidos comercialmente en el mercado de la electrónica. En este manual es interesante además , las etapas analógicas y las de acoplo analógico digital, y en la etapa digital los alumnos cuentan con la libertad de utilizar una gran variedad de dispositivos electrónicos Timers, circuitos TTL, CMOS (hardware digital), PLA y PLD’s (dispositivos lógicos programables o hardware con software digital), microcontroladores PIC’s o microprocesadores o computadoras personales, en el caso de estos últimos se deberá de incluir el programa desarrollado además del diagrama electrónico y de cableado de sus circuitos y los métodos de acople a la computadora a través del dispositivo que se adapta al puerto de entrada RS232 o USB. Para facilitar el cableado correcto de sus prácticas, el alumno deberá contar con las hojas de especificaciones técnicas de los C.I. utilizados en el desarrollo de su práctica. El profesor al entregar la práctica, aporta algunas ideas acerca del diseño pero aclara a los alumnos que ellos tienen libertad de utilizar los C.I. que ellos deseen de acuerdo a su presupuesto, conocimientos y materiales de trabajo disponibles, siempre y cuando documenten de forma adecuada su trabajo y logren el objetivo planteado y los resultados esperados. La duración de cada una de las prácticas es de 2 a 3 sesiones de laboratorio de 3 horas c/u, que se llevan a cabo de forma semanal y el desarrollo de c/u de ellas requiere de trabajo previo de los alumnos en cuanto a la investigación teórica y el desarrollo y cálculos del diseño que presentará en el laboratorio, el laboratorio cuenta con osciloscopio, fuentes y generadores de funciones. El equipo presentará su diseño en socket Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 2 El trabajo de cada una de las prácticas se realiza en equipos de máximo 3 o 4 personas c/u. Se califica tanto la funcionalidad como la asistencia. conclusiones y bibliografía. Una vez realizada cada una de las prácticas y presentada funcionando a los profesores.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III experimental (protoboard) y en los casos en que sea necesario pasará el diseño a circuito impreso. participación y el reporte escrito de forma individual y colectiva. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 3 . Los alumnos traerán los transductores o harán adaptación de transductores electrónicos para su uso médico. análisis de los resultados. que deberá tener Objetivo. metodología de trabajo. fundamentación teórica (desarrollada por los alumnos en base a la introducción de cada práctica dada por el profesor y a su investigación propia). el equipo tendrá la obligación de entregar un reporte escrito de la misma. resultados obtenidos. 40.1 Formas de onda obtenidas del circuito Y las siguientes características: • • • • Frecuencias fijas: 2.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRACTICA I ESTIMULADOR ANALGÉSICO Objetivo General: Identificar y explicar las características y aplicaciones de los electroestimuladores musculares analgésicos de propósito general y de uso en rehabilitación muscular. Objetivo particular: Diseñar y construir un estimulador analgésico con la forma de onda siguiente: Ancho de pulso 200 µs 100 V -30 V Figura 1. 120 Hz. Modulación en Frecuencia Modulación en Ancho de Pulso Trenes de Pulsos Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 4 . 20. 80. Introducción El temor de la cultura occidental hacia las agujas y las posibilidades de la electrónica favorecieron el desarrollo de lo que hoy conocemos como electroestimulación.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III • • • • • • Amplitud positiva de 0 a 100 Volts Corriente de 0. ya se han declarado y requieren de una atención médica especializada. La electroestimulación viene empleándose. Descripción del circuito electrónico La energía necesaria para hacer funcionar el equipo se obtiene a partir de 4 baterías doble A (AA). se podrá disfrutar de una relajación que. que es la necesaria para generar la conmutación a través de T1 y así obtener la elevación de tensión en la salida. que relaja las contracturas y que ayuda al aumento de la fuerza para la estabilidad articular. dicen que previene la atrofia muscular. tensión y nerviosismos que nos agotan físicamente y que hasta pueden provocarnos pequeñas lesiones orgánicas que.001 a 0.06 Amperes Ancho de Pulso Máximo 200 µs Carga Virtual: 500 Ω Puede utilizar componentes discretos o microcontrolador La etapa de potencia no debe deformar la forma de onda. tonificar y fortalecer músculos y para liberar los reductores naturales del dolor y la inflamación. por algunas personas que creen que puede ayudar en rehabilitación. como el que se presenta a continuación. se transformará en un mejor rendimiento físico diario y en una ayuda para gozar de una vida más plena. El otro oscilador lo hace a una frecuencia mayor. y su régimen de trabajo es ajustado por P1. Y son muchos los que creen que con el uso de un electroestimulador. El diseño se basa en un circuito integrado 556 (dos 555 en un mismo encapsulado) donde uno de ellos trabaja a una baja frecuencia de entre 2 Hz y 100 Hz. con el tiempo. A diario nos enfrentamos con situaciones cargadas de ansiedad. desde hace mucho tiempo. Esta nueva técnica utiliza impulsos eléctricos controlados (en lugar de agujas) que dice servir para paliar dolores. La estimulación eléctrica con electrodos de superficie a través de la piel mediante equipos portátiles viene aplicándose con éxito en la medicina tradicional desde hace muchos años para el tratamiento del dolor (TENS) y la recuperación muscular (EMS). cuando las advertimos. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 5 . en las patologías musculares más comunes. entre otras cosas. Por su parte. R8 y P2 se encargan de ajustar el nivel de tensión de salida a niveles variables entre 20 y 100 Volts @ 10 mA de drenaje de corriente máxima. Por lo tanto. C6 y D1 se encargan de transformar la señal pulsante de salida en una forma de onda lo más parecida posible a una onda senoidal pura. Tr1 es un transformador de audio 8 Omh . Estos electrodos son muy cómodos de utilizar. ya que no requieren bandas elásticas para su fijación en el paciente y no necesitan cuidados especiales ya que la mayoría son desechables o descartables. A este tipo de transformadores se los suele utilizar en los circuitos cerrados de música funcional. tenemos un oscilador fijo que funciona a unos 500 Hz (este valor no es crítico) y otro que lo habilita a una frecuencia variable según el ajuste de P1. Para finalizar la construcción de nuestro electroestimulador debemos considerar los elementos que colocaremos en los electrodos de salida: los más habituales son las almohadillas autoadhesivas utilizadas en electromedicina y que se pueden adquirir fácilmente en cualquier farmacia u ortopedia. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 6 .1KOhm y donde su primario (1KOhm) debe utilizarse como salida.2 Circuito propuesto del electroestimulador analgésico Los componentes C5.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 1. la amplitud de la tensión de salida ajustable por P2 deberá adecuarse según la sensibilidad del paciente y. los tiempos oscilan entre los 15 y los 30 minutos.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Ejemplo de electrodos Fáciles de colocar y quitar Al ser autoadhesivos impiden contagio descartables cualquier Fig. Como orientación genérica podemos afirmar que las frecuencias entre 80 y 100 Hz. a su vez. El tiempo de duración del tratamiento será el aconsejado por un profesional. tienen mayor efecto analgésico que aquellas que las superan. al igual que en el caso anterior. dosis e intensidad deberán ser especificadas por un profesional. Por último.3 colocación de los electrodos del estimulador analgésico La frecuencia. las frecuencias que oscilan entre 20 Hz y 70 Hz están orientadas a los entrenamientos musculares para lograr una buena tonificación y modelado de la zona de aplicación. mejoran la circulación sanguínea favoreciendo la oxigenación de la sangre y la creación de nuevos capilares. Por debajo de los 20 Hz. los efectos logrados son descontracturantes y. 1. Por su parte. En la mayoría de los casos. siguiendo los consejos de un profesional para no provocar lesiones. Contraindicaciones El uso de los electroestimuladores está contraindicado en las siguientes situaciones o zonas del cuerpo: Enfermedades graves Fiebre superior a 38° Enfermedades infecciosas Cáncer Embarazo Enfermedades cardíacas Tumores en el aparato digestivo Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 7 . Figura 1. es decir la salida original del transformador o secundario va a la salida del oscilador (un 555 en este caso) como esta en reversa el transformador elevará el voltaje en el sentido inverso. pero eso si por seguridad. Este tipo de circuitos es delicado si no se toman las medidas de precaución necesarias. la prueba se hace sobre un brazo para ver las reacciones. la idea es un generador de pulsos (oscilador astable) de corta duración. es decir si ponemos un transformador 220/6 voltios al revés la nueva relación será 6/220 es decir unas 40 veces estos pulsos de alto voltaje pero baja corriente son los que hacen contraer al músculo y es el principio de funcionamiento de estos aparatos.4 Etapa de Potencia del electroestimulador analgésico Partes: P1______________4K7 Potentiometro Linear (Controla la intensidad o amplificadortud del pulso.6K ohm a Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 8 . solo usarlo con las pilas. este es un circuito elemental. los electrodos que pueden ser un par de discos de metal. generalmente se le pone una crema o gel electrolítico a base de agua o se les recubre con pequeñas esponjas humedecidas en la crema o gel electrolítico. o los adhesivos desechables de plata/cloruro de plata. no deben ir directamente a la piel porque pueden irritar y dejar marcas.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Dolores de Cabeza Problemas graves en las articulaciones Pacientes que deban hacer reposo Pacientes considerados por el fisioterapeuta profesional no aptos para el uso de electroestimuladores. estos pulsos van a un transformador de voltaje colocado al revés. NUNCA utilizar un adaptador de voltaje para alimentarlo.comenzar de cero e ir aumentndo) R1____________180K 1/4W Resistor R2______________1K8 1/4W Resistor (Cambiando R2 de 5. 5 Etapa de potencia del electroestimulador analgésico con LM 555 Si es la toma el valor de 4 . D2___________1N4007 1000V 1A Diodo Q1. 12V Secondario 3 voltos transformadorrmer SW1____________SPST Switch (viene con P1) B1_____________3V Bateria (2 pilas 1. el potenciómetro en serie con las placas de salida atenua el voltaje para irlo Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 9 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III 10K maximo se tienen pulsos mas fuertes) R3______________2K2 1/4W Resistor R4____________100R 1/4W Resistor C1____________100nF 63V Polyester Capacitor C2____________100΅F 25V Electrolytic Capacitor D1______________LED Red .8 ohm de las bocinas se obtiene unos 100 voltios pulsantes que cosquillean pero no hacen daño . sin utilizar transformadores de voltaje solo un transformador de salida de audio es decir el transformador que adapta la salida de los transistores a las bocinas en un amplificador de audio Figura 1.5V AA or AAA en serie) Aqui hay otra variante .Q2_________BC327 45V 800mA PNP Transistor IC1____________555 Timer IC T1_____________220V Primario. es importante recalcar que esto da un voltaje no letal siempre que se alimente con pilas y se tenga cuidado . Fig. el potenció metro en serie con la base limita la corriente de base para tener mayor o menor amplificación.6 Diseño completo de un electroestimulador Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 10 . 1.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III incrementando en intensidad . Cerón Ortiz Juan Luis.15V Corriente 214mA máxima Corriente 5mA mínima Transformador 12V-500mA Frecuencia 3. colocación de los electrodos y tabla de resultados obtenidos por equipo de: Azcona Arrieta Aída. Vpp Voltaje mínimo 1.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Resultados obtenidos. 1.8V Voltaje máximo 50V Voltaje en pilas 5.44Hz Fig.7 Diseño de electroestimulador EMS. Duarte Sánchez Miguel y Peña Victoria Berenice Lab.BioIII UPIBI-IPN Ago-dic2011 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 11 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Fig 1.8 Otras formas de onda generadas con los electroestimuladores EMS y TENS Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 12 . la verificación del funcionamiento correcto con la ayuda del osciloscopio y multímetros. el alumno que lo pruebe estará con los ojos cubiertos y lo que se verificará es el logro de la contracción involuntaria del músculo Biceps o los dedos índice y pulgar de la mano en el caso de que los electrodos estén colocados en el músculo radial. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 13 . y la prueba del circuito colocando dos electrodos de Ag/AgCl tipo ECG desechables en la posición apropiada en un músculo flexor Biceps o radial de la extremidad superior que se colocará en postura relajada. y realizando la conexión de las salidas del equipo con caimanes.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Las pruebas de funcionalidad se dan en cuanto al armado del circuito. esta señal servirá de base para desarrollar posteriormente prácticas de instrumentación biomédica como un marcapasos por inhibición. Figura 2. transistores. Objetivo particular: Crear un dispositivo simulador de señal ECG funcional. opams. resistencias y capacitores . y para probar un desfibrilador con cardioversión este simulador deberá ser capaz de presentar señal ECG normal y con arritmias.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 2 SIMULADOR DE ECG Objetivo General: diseñar un simulador de señal de ECG con chips y circuitos electrónicos discretos como diodos.1 Forma de presentar el simulador ECG diseñado Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 14 . La red ya tiene numerosos sitios que se dedican a ofertar módulos de textos de ECG. con la llegada de versiones avanzadas de Flash es que se ha podido crear un simulador disponible en la red que reúna ciertas condiciones: rápida descarga(menos de 200 K de tamaño) interactividad avanzada sin ficheros de gran tamaño .utilización de animación antes de una descarga completa de la animación Estas ventajas junto con las innovaciones en hardware y software de navegadores permiten la posibilidad de crear un simulador compacto y rápido de descargar (menos de 95 K de tamaño). Numerosos participantes notaron que usando un simulador con un monitor cardíaco era una manera muy efectiva de aprender las diferentes arritmias del corazón-una experiencia muy similar a la realidad sin poner en riesgo la salud o la vida de ningún paciente.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 2. Mac y Unix) inclusión de sonido y animación con ficheros pequeños .de participantes en talleres de interpretación de arritmias cardíacas. Aunque hay muchos centros hospitalarios que poseen simuladores. la mayoría del personal de enfermería y paramédicos no tienen acceso a estos costosos equipos(simuladores entre $3000 y $5000 y los monitores entre $10000 y 20000 dólares). Recientemente . Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 15 . Antecedentes Teóricos El origen del simulador se debe a sugerencias a través de varios años.utilizable en varias plataformas(Flash está disponible para Windows.2 señal de ECG con arritmia. a base de diodos.24 y 1 de 0. transistores. 1 de 0. el simulador de señal ECG deberá ser capaz de presentar la señal normal y con al menos una arritmia cardiaca ventricular. El período de la señal es de 0. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 16 . arreglos de resistencias y capacitores. amplificadores operacionales y demás elementos por el estilo.08. esto a base del 555 en el modo monoestable usando el flanco de bajada. Bradicardia o arritmias cardiacas. Queremos todos los complejos PQRST necesarios para un registro de ECG de 15 segundos. La suma la van a hacer con circuitos sumadores y una vez obtenida la onda del ECG completa se deberá poder variar la frecuencia desde los valores normales a otras frecuencias para simular Taquicardia. También se puede utilizar el diseño de la práctica anexa pero sumando las señales de salida para formar todo el registro ECG es decir: onda P.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Pero para mejorar la calidad del aprendizaje del ingeniero Biomédico en esta sección se propone el desarrollo de un simulador de señales de ECG con circuitos electrónicos discretos el cual servirá de base para que posteriormente diseñen un marcapasos. Hay que convertir los pulsos cuadrados del 555 en las formas de onda necesarias para formar la señal de ECG: Figura 2.64 ms y se puede dividir a base de monoestables en 3 de 0. Se trata de un simulador de señal de electro-cardiograma (latidos del corazón. El simulador debe ser. Complejo QRS y onda T.16ms. de preferencia.3 Duración Normal de la señal ECG Esto es la suma de dos medias ondas senoidales para el P y T + una triangular para el complejo QRS. 4 Señal de ECG y escala que se maneja en el papel milimétrico de registro La intención es que la suma de todas estas sea la señal de periodo normal de .64ms Figura 2.5 Una propuesta de diseño para el simulador ECG Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 17 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 2. Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 2.6 Diseño de pista y simulador ECG lista de partes para el diseño de un Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 18 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 2. Carbajal Márquez Eduardo. Figura 2. el certificar que se puede variar la frecuencia de la señal ECG en los límites deseados para simular taquicardia y Bradicardia y paro cardiaco. Agosto/Diciembre 2011 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 19 . formas de onda obtenidas en el osciloscopio por el equipo de Laboratorio de Bioinstrumentación III formado por Alcaraz Carranza Karla Patricia. Las pruebas de funcionalidad consisten en la observancia de la forma de onda de la señal ECG en el osciloscopio. Castro Martínez Jorge Ulises y García Martinez Jose Luis.7 Otra propuesta para el diseño de un simulador ECG haciendo uso de 1 FET y OPAMs y lista de Materiales requeridos.8 Diseño de simulador ECG. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 20 . La característica de ser marcapasos por inhibición se da debido a que en caso de que el corazón del paciente pueda “latir por si mismo” el dispositivo detectará este “latido natural” y no estimulará artificialmente el corazón en ese momento favoreciendo así la recuperación real de la salud del paciente.1 ubicación del marcapasos y posicionamiento de los electrodos en el cuerpo del paciente.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 3 MARCAPASOS POR INHIBICIÓN MARCAPASOS VENTRICULAR EXCITATORIO Objetivo General: Identificar las características y aplicaciones de los marcapasos cardiacos electrónicos de uso especial. Objetivo particular: Diseñar y construir un marcapasos ventricular excitatorio (VVTOO) que genere un estímulo controlado en voltaje y cuya frecuencia varíe de 1 a 2 Hz al faltar el complejo QRS del ECG. Figura 3. Aprovechar también el simulador de ECG construido en la práctica anterior para sensar el complejo QRS y generar solo los pulsos faltantes para estimular el ventrículo y normalizar la función cardiaca en las frecuencias cardiacas de 60 a 120 Latidos por minuto. Estos impulsos se transmiten al nodo aurículoventricular y sistema de Purkinge. el nódulo sinusal. consiguiéndose un tamaño mucho más pequeño Otro paso muy importante fue la aparición de los circuitos integrados en sustitución de los transistores. incluyendo un microprocesador. Actualmente los marcapasos son muy sofisticados. Las primeras pilas utilizadas fueron de níquel-cadmio. situado en la pared de la aurícula derecha. en 1958. pero fue el Dr.2 Señal de ECG típica con superposición del momento de contracción ventricular Introducción teórica Un marcapasos es un aparato electrónico generador de impulsos que excitan artificial y rítmicamente el corazón cuando los marcapasos naturales del corazón no pueden mantener el ritmo y la frecuencia adecuados. produciéndose la despolarización de los ventrículos y la contracción muscular de los mismos. permitiendo medir y programar un gran número de parámetros. puede ser necesaria la colocación de un marcapasos artificial. que sustituidas posteriormente por las de mercurio-zinc y finalmente por las de litio. Hyman fue el primero que estimuló el corazón con un generador de impulsos externo (que cargaba manualmente con una manivela) mediante unos cables transtorácicos hasta el corazón. y según su programación desencadenan impulsos eléctricos o no. que genera impulsos eléctricos de forma autónoma. con el generador de estímulos implantado dentro del cuerpo. quien inició la estimulación cardiaca con el marcapasos tal como se entiende hoy día. Además estos dispositivos monitorizan la actividad eléctrica cardiaca espontánea. que además de reducir el tamaño han permitido la programación del marcapasos desde el exterior. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 21 . Pero cuando este sistema de conducción no funciona bien. FISIOLOGÍA CARDIACA El corazón tiene un marcapasos fisiológico normal.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 3. Senning. Figura 3.3 Sistema de conducción eléctrica normal del corazón. con valores normales de Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 22 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 3.4 Forma normal de onda ECG en DI duración de ondas e intervalos. ) El generador tiene una batería cuya función es aportar corriente eléctrica suficiente para la estimulación de las fibras miocárdicas.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 3. confianza y predicibilidad de su agotamiento.V. Actualmente se usan baterías de Litio que permiten mayor duración. ELEMENTOS BÁSICOS El marcapasos consta de un generador de impulsos y catéteres con superficies expuestas (electrodos. intervalo A.5 Forma de onda ECG en la fibrilación auricular normal y con marcapasos. Consta también de un oscilador que se encarga de que el estimulo entregado dure intervalos de tiempo breves y a una frecuencia acorde a la programación: Esto se modifica según el sensado. etc. (a) Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 23 . 6 (a) partes del marcapasos generador de pulsos y electrodos (b)ubicación y colocación de los electrodos en el corazón y su fijación y conexión al marcapasos Se ha llegado al acuerdo internacional de identificar el tipo de marcapasos con la siguiente nomenclatura: IV II III I CAMARA PROGRAMACION V FUNCION CAMARA RESPUESTA ESTIMULADA RESPUESTA ANTITAQUICARDIA SENSADA SENSADO FRECUENCIA 0 0 0 0 0 A A I R P V V T P S D D D(I+D) M D(P+S) S S C Figura 3. NASPE : North American Society of Pacing and Electrophisiology BPEG : British Pacing and Electrophisiology Group Fuentes de energía y tipos de baterías para los marcapasos La batería de mercurio.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Electrodos epicardicos Adaptador para la conexión de los hilos situados en las aurículas conductores al generador del y ventrículos marcapasos Conexión del adaptador al generador. En las clavijas (b) Figura 3. Un desarrollo posterior introdujo la batería nuclear.zinc fue desarrollada en 1947.7 Clasificación de la NASPE y de la BPEG para clasificar los marcapasos. con una vida media estimada de 25-30 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 24 . y se implanto por primera vez en 1960 tenia una duración superior a la de níquel aluminio recargable que en la práctica solo alcanzaba los dos años de edad y tenía problemas de fallos prematuros debido a su electrolito líquido corrosivo teniéndose que cargar semanalmente. Iconografía: St. Figura 3. Iconografía: St. La conexión de los electrodos también se ha desarrollado con el tiempo para evitar fugas y roturas de los mismos en las conexiones con el generador. son las que se utilizan hoy de forma general pareciendo ser las de mas larga vida las de litio-sulfuro cuprico. protección vs corrosión.8 Algunos tipos de marcapasos y sus cubiertas para evitar rechazo. En el tema de protección de los circuitos se han probado diversas opciones finalmente la triunfadora ha sido la carcasa de titanio por las siguientes cualidades durabilidad. Jude Medical Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 25 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III años de edad. Se implanto en Francia por primera vez en 1970. tanto en el paciente como en otras personal 2. Posibilidad de contaminación radioactiva si se rompieran las capsulas selladas herméticamente. acero inoxidable y titanio. Posibles lesiones por radiaciones. Aunque estos marcapasos tienen una tasa de supervivencia acumulada más alta de entre todas las fuentes de energía se ha limitado su uso. Jude Medical Figura 3. menos riesgo de rechazo del paciente. Los problemas principales son: 1.9 Elementos y partes componentes de un marcapasos comercial . Las baterías a base de Litio. a base de Epoxi. conectado con el anterior 4. filtros. Iconografía: St. Circutio de salida conectado también con el circuito lógico y el cable Figura 3. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 26 . Iconografía: St.10 dispositivo de marcapasos moderno con conexión de cables . amplificadores y comparador.11 Diagrama a bloques de un marcapasos . Circuito de comunicación .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 3. Jude Medical El Amplificador de sensado consta de protección contra desfibrilacion. Jude Medical El circuito básico de un generador consta de : 1. Amplificador de sensado 2. Circuito lógico 3. estando conectado el controlador al circuito de comunicación. Jude Medical Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 27 . El Circuito de comunicación lleva un sistema de telemetría que le permite la variación a través del mismo de los parámetros del marcapasos como puede apreciarse en las figuras adjuntas.13 Diagrama a bloques del circuito de salida de un marcapasos . compuesto por osciladores. Iconografía: St.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III La señal de entrada por el amplificador de sensado llega al circuito lógico. Iconografía: St.12 Descripción de partes del amplificador de sensado de un marcapasos . controlador y marcapasos. Jude Medical Figura 3. Figura 3. Iconografía: St. Jude Medical Se ha creado todo una terminología en el caso de los marcapasos para definir sus distintas funciones tanto de sensado como de activación y es un vocabulario que precisamos conocer. HISTERESIS DE FRECUENCIA : Retraso del comienzo de la activacion ventricular para conservar la activacion y la contracción fisiológicas normales. del tejido entre los electrodos y de las interfases electrodos – tejidos. UMBRAL : Amplitud mínima del estimulo con una determinada anchura del impulso necesaria para conseguir la despolarización miocárdica ( es decir. IMPEDANCIA : Suma de todas las fuerzas que se oponen al flujo de corriente en un circuito eléctrico. En los marcapasos esta determinada por la resistencia de las derivaciones. DETECCION : Amplitud pico a pico (en mV) de la señal intracardiaca.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 3. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 28 . la captura) fuera del periodo refractario del corazón.14 Diagrama a bloques del circuito de comunicación de un marcapasos. . P o R. Si hay sucesos ventriculares espontáneos. HISTERESIS AV : Búsqueda automática de eventos ventriculares espontáneos durante un intervalo AV prolongado. RAPIDEZ DE CAMBIO : Cambio del voltaje del Electrograma intracardiaco a lo largo del tiempo (dv/dt) SENSIBILIDAD :Nivel en mV que debe de superar un electrograma intracavitario para ser detectado por el marcapasos. el intervalo AV permanece prolongado para conservar la conducción AV intrínseca. A la salida Vout se obtendrán pulsos TTL que corresponden a los tiempos de cada complejo QRS de la señal del simulador ECG. 3. Ver fig.15 Figura 3. Aquí entra la señal de un comparador de OPAM polarizado a 5 Vdc en el que en una de sus patas se conecta la señal ECG (del paciente o del simulador ECG) y en otra un voltaje de referencia que cruce a la altura de la R.15 comparador polarizado con 5Vdc y tierra. Detector de pulsos faltantes con el timer 555 De aquí hay que invertir la señal y conectar a otro astable por la polarización (si se desea que funcione de forma automática al faltar la señal ECG. que en su pata no inversora tiene un voltaje de referencia que corresponde a ¾ de la amplitud total de la señal del simulador ECG (esto es sólo se capta la R del complejo QRS) y en la pata inversora tiene como entrada la señal del simulador ECG. de la señal ECG.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 3.16 Sugerencia para el diseño en el laboratorio de Bioinstrumentación III con un missing pulse detector o detector de pulsos faltantes realizado con un Timer 555. o a un monoastable para dar pulsos aislados ante pulsos ECG faltantes. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 29 . 4 y t2 = intervalo RR . es decir. Cada vez que un pulso de bajada llega a la pata 2 del temporizador 555 este se dispara para dar en la salida un solo pulso alto en el pin 3. un circuito que a la salida dá un solo pulso en alta cada vez que se le dispara a través de una bajada en su pin 2.17 timer 555 en configuración astable que puede ser utilizado como fuente de pulsos para el marcapasos. R2 y C1 deben elegirse de tal manera que el ancho de pulso de salida en la pata 3 sea Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 30 .18 ritmo del marcapasos originado por un marcapasos intracardiaco.09 seg. no olvidar que en el ECG el duty cicle es distinto siendo t1 = QRS interval= 0.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Timer 555 en configuración astable Figura 3. El principal componente de este circuito es el temporizador 555 . El ancho de pulso se define por los valores de la resistencia R2 y el condensador C1 de acuerdo a la bien conocida fórmula T =1. En este circuito se configura como un monostable . Figura 3. ver figura 3. La polarización +Vcc se obtiene de la salida invertida del detector de pulsos faltantes. Este circuito detecta la falta o pérdida de uno o más de los pulsos de un tren continuo de ellos aplicado a su entrada . las formas anchas de los complejos ventriculares precedidas por el pico del marcapasos nos dan el ritmo o frecuencia del marcapasos.1 RC. de lo contrario hay que echar mano a nuestros cálculos aritméticos . Las pruebas de funcionalidad consisten en la obtención de los pulsos del marcapasos superpuestos y sumados con la señal de ECG del simulador para verificar su funcionamiento y sincronización adecuada en los casos de paro cardiaco. hay que conformarlos o "cuadrarlos" nuevamente con comparadores o Schmitt trigger para recuperar la réplica de la onda transmitida . el funcionamiento se prueba interrumpiendo momentáneamente los pulsos de entrada . Si la llegada de los pulsos al pin 2 es continua . poniendo un led con su resistencia para monitorear la salida. la salida nunca podrá terminar un pulso único . la falta de un pulso en la entrada permitirá que la pata 3 termine la salida de un pulso programado por R2 y C1 no importa si el siguiente pulso entrante lo vuelve a redisparar. es fácil hacerlo en osciloscopio . es un trabajo más complejo que hacerlo con línea cableada. es decir no tendrá tiempo de "bajar" permaneciendo siempre en alta. Sin embargo. Se debe poner un led con su resistencia para observar este efecto. Para hacer un enlace óptico mediante laser o infrarrojo hay que tener en consideración que los pulsos que llegan al fototransistor o a la fotoresistencia llegan distorsionados.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III ligeramente mayor que el tiempo que hay entre cada pulso de entrada. muchas veces con un nivel no digital . taquicardia. Como tal. la salida de la pata 3 del 555 siempre será 'alta' . bradicardia y arrtimias. el led debe apagarse y se vuelve a prender cuando los pulsos regresan . Esto se debe a que el temporizador 555 siempre será redisparado por las bajadas de los pulsos entrantes y el condensador C1 siempre se descargará a través del transistor Q1 cada vez que un nuevo pulso de entrada llegue. recordar que el período de un tren de ondas es el inverso de su frecuencia T=1/f para con esto calcular el tiempo del monoastable e ir ajustando poco a poco hasta que la salida siempre este en alta .esta será nuestra alarma. moviendo el potenciómetro para que el pulso de salida del monoastable sea solo un poco mayor al período de las ondas cuadradas entrantes . El detector de pulsos faltantes hay que programarlo en la práctica de acuerdo a la frecuencia de pulsos que entran . significa que va a cambiar su estado de 'alta' a 'baja' después que el ancho de pulso se ha alcanzado . Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 31 . con esto ya se obtuvo un pulso negativo (bajada) que puede usarse para activar una alarma o disparar otro monostable 555 que nos conecte una sirena el tiempo que programemos . funciona bien con entradas cableadas. C.C.F. capacitores. al menos en 3 flujos distintos. (al gusto según el diseño seleccionado). o en las casas donde venden peces y acuarios pequeños. a 12 Volts o menos en el centro en las calles de Victoria en el Centro Histórico de México. se requiere una por equipo de laboratorio para realizar una práctica de control de flujo. Mientras que el rotor da vuelta. Resistencias. Timers 555. Adicionalmente. Circuitos Integrados. una probeta graduada y un cronómetro. Material Necesario: Conseguir una pequeña bomba peristáltica dosificadora pequeña controlada por motor de D. Un rotor con un número de 'rodillos'.1 Bomba peristáltica con motor D.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 4 BOMBA DE CIRCULACIÓN CONTROL DE FLUJO PARA BOMBA PERISTÁLTICA Figura 4. el fluido a ser bombeado para moverse a través del tubo. potenciómetros. Introducción Teórica Una bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo usada para bombear una variedad de fluidos.D.C. conversores de F/V LM2907. OBJETIVO: Controlar el flujo o gasto de una bomba peristáltica pequeña con motor de D. la parte del tubo bajo compresión se cierra (o se ocluye) forzando. Tubería o manguera del tipo necesario para la bomba peristáltica. de esta manera. 'zapatas' o 'limpiadores' unidos a la circunferencia externa comprimen el tubo flexible. El fluido es contenido dentro de un tubo flexible empotrado dentro de una cubierta circular de la bomba (aunque se han hecho bombas peristálticas lineales). mientras el tubo se vuelve a Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 32 . 2 Máquina de Hemodiálisis Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 33 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III abrir a su estado natural después del paso de la leva ('restitución'). el flujo del fluido es inducido a la bomba.C. Este proceso es llamado peristalsis y es usado en muchos sistemas biológicos como el aparato digestivo. Usos típicos de Bombas peristálticas • Máquinas de diálisis • Máquinas de bombas para bypass de corazón abierto • Bombas de infusión de sueros • Fabricación de alimentos • Dispensar de bebidas • Producción farmacéutica • Lodo de aguas residuales • Fuentes y cascadas decorativas de mesa (éstas son las que se pueden conseguir en el centro en la Calle de Victoria. a 12 Volts o menos) • Sistemas de inyección de tinta de las impresoras. hay que comprar una pequeña controlada por motor D. Aplicaciones médicas del diseño Figura 4. 3 Máquina de circulación extracorpórea (máquina corazónpulmón) Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 34 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 4. 4. Circuíto de hemofiltración modificada Figura 4. O en adultos con severos Daños en corazón y pulmones Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 35 .5 Extracorporeal membrane Oxygenation ECMO utilizada Más en pacientes neonatos y Pediátricos.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Fig.4 . La compresión excesiva agrava la hemólisis y el desgaste de los tubos.6 Máquina corazón pulmón de circulación extracorpórea La bomba de rodillo. pero para cirugías de 1 a 4 horas no presenta mayor problema. El flujo sanguíneo es inducido por la compresión sobre el tubo.[14] Por este motivo se han diseñado algunos métodos para lograr el flujo pulsátil. La mayoría de cirujanos cree que la menor hemólisis aparece cuando los rodillos se encuentran levemente no oclusivos. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 36 . El aumento del tono vasomotor que tiene lugar durante la circulación extracorpórea puede ser una respuesta fisiológica al riego no pulsátil. La superficie curva se encuentra en el perímetro externo de unos rodillos ubicados en los extremos de dos brazos rotatorios (normalmente 2 ubicados a 180º entre ellos). muy poca oclusión produce igualmente hemólisis. pero peor aún compromete el gasto cardiaco. Aunque no es del tema de esta revisión las bombas de contrapulsación intraaorticas. El sistema se organiza de forma que un rodillo comprima el tubo en todo momento. la longitud del circuito. El grado de oclusión dado por los rodillos debe ser ajustado para evitar la hemolisis (destrucción de los glóbulos rojos y otras células sanguíneas) . y las bombas hidráulicas o neumáticas de tipo ventricular son algunos ejemplos. La rata de flujo depende del tamaño del tubo. la frecuencia de rotación de la bomba (revoluciones por minuto). se puede controlar el flujo o gasto de la bomba en varios valores. rotatorias o peristálticas diseñadas por De Bakey para uso en máquinas de circulación extracorpórea y en Hemodiálisis son las más utilizadas. La bomba consiste en una serie de tubos localizados en la parte interna de una superficie curva. Al controlar la velocidad del motor de D.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 4. En los últimos 30 años las bombas de rodillo han sido las más comúnmente utilizadas para by pass cardiopulmonar. para fines de esta práctica sólo deberá ser en tres valores distintos. Según datos experimentales. Un problema fisiológico que surge a menudo es el de la importancia del flujo pulsátil de la circulación normal. presionando así la sangre hacia delante de los rodillos. para largos periodos de tiempo el flujo pulsátil es importante. Existen tablas de calibración que deben ser revisadas constantemente para asegurar el correcto flujo de la bomba.C. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 37 .7 Componentes de una bomba peristáltica o rotatoria CONTROL DE MOTORES SÍNCRONOS Figura 4.8 Estructura Interna de un Motor de D.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 4.C. conectado a un sistema de engranes lo que sirve para reducir la frecuencia (RPM) y aumentar el torque o fuerza.9 : A la izquierda se observan varios modelos de Motores de D. robóticos y como controladores de velocidad ajustables en una variedad de aplicaciones como: bombas de carga proporcional. grandes abanicos y compresores.C. A continuación aparece un sistema de control de velocidad de circuito cerrado para un motor de D. a la derecha se observa un motor de D.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 4. son usados motores sincrónicos de imán permanente (ver Figura 1).C. Figura 4. Estos motores son a menudo referidos como motores de "DC sin brocha" o motores conmutados electrónicamente. 10 Conversor F/V LM2907 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 38 . En aplicaciones de baja potencia hasta unos cuantos kilowatts.C. Los motores síncronos son usados como servo-controladores en aplicaciones como equipos periféricos de computadoras. Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 4.C. Este tipo de servomecanismos es controlado por frecuencia y si se quiere más torque hay que agregar transformadores de engranes.11 Sistema de Control de motor de CC en lazo cerrado El sistema de control de velocidad de un motor de D. de lazo cerrado también conocido como servomotor por el lazo de retroalimentación de posición. aquí se requiere de sensar la velocidad del motor con un tacómetro. luego se convierte la frecuencia a voltaje con un convertidor de F/V comercial y se retroalimenta a la entrada de forma negativa y se suma o diferencia en la entrada. El sensado de la velocidad se puede hacer montando un disco negro con una o varias ranuras o hendiduras al eje del motor y fijando un optoacoplador para convertir la velocidad en una serie de pulsos de cierta frecuencia. convertir de frecuencia a voltaje la señal y retroalimentarlo a la entrada del sistema. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 39 . Una posición central sería un pulso de 1. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 40 . si se utiliza un regulador de voltaje con suficiente capacidad se puede conectar a la misma fuente de alimentación que el microcontrolador. Este sistema de control es de lazo abierto (no retroalimentado).12 servomotor comercial Servo HITEC con accesorios Se controlan a través de tres cables.5 ms) como siempre es una aproximación dependiente del Hardware y toca probar el rango mínimo y máximo del servo y los pulsos. dos son para voltaje y tierra y el tercero para una señal de posición de control que es un pulso. La alimentación del servo debe ser de 4 a 6 voltios y debe estar separada a la del microcontrolador y por lo menos debería tener una capacidad de 1 amperio. Cualquier valor intermedio hará posicionar el eje entre los +-/90 grados. el ajuste de la velocidad se hace con el pot de 100K. que es enviado 50 veces por segundo al motor (cada 20 millisegundos). con respecto al centro (1.5 milisegundos. Figura 4.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 4.13 Este otro circuito sirve para controlar la velocidad del motor con un sistema de control de ancho de pulso (Pulse Width Meter=PWM). Un pulso de 1 ms rotará el eje totalmente a la izquierda y un pulso de 2 ms rotará totalmente el eje a la derecha. Este otro circuito permite el control de velocidad de un motor DC. haciéndolo circular a través de tuberías flexibles desde un recipiente hasta otro graduado (por ejemplo una probeta de laboratorio) y cronometrando el tiempo para calcular el flujo o gasto al menos en tres niveles. variable porque si lo haces así. En este caso se utiliza un circuito a base de Flip/Flop RS. y el potenciómetro de 100 K. pero hay que trabajar en el acondicionamiento de la señal de salida para darle la potencia necesaria para controlar la velocidad del motor sin perder Torque. También se puede diseñar un PWM con un microcontrolador PIC 16F084 o superior. la alimentacion "V" puede ser dependiendo del motor a utilizar. es mejor hacerlo con este tipo de circuito en vez de utilizar una fuente de D.potencia.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Este circuito sirve para controlar la velocidad de un motor de D. Figura 4.voltaje.C.es/cefimees. medio y alto.cabe mencionar que para motores mas grandes se debe tener en cuenta corriente.14 Circuito para control de velocidad de un motor por PWM pulse width modulation o modulación de ancho de pulso. Iconografía http://usuarios. Con la tubería purgada (ausente de burbujas de aire).lycos.C de 12 Volts por ancho de pulso. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 41 . que sirve para regular la velocidad lo puedes comprar de tipo líneal o multivuelta para mayor precisión. en este circuito se debe modificar el Mosfet tipo IRF830. Las pruebas de funcionalidad se realizan mostrando el funcionamiento de la bomba peristáltica y el control electrónico para manejar y controlar flujo de líquidos (agua con sabor de Jamaica o cereza). bajo. etc. sustituyéndolo por uno IRFZ44 que puede manejar perfectamente de 20 a 30 Amperes (con un disipador de calor de aluminio y grasa disipadora de calor). conforme vayas disminuyendo el voltaje perderás Torque o fuerza. Introducción Teórica: Una de las técnicas de RCP (resucitación cardiopulmonar) consiste en la intubación endotraqueal del paciente y la asistencia respiratoria mediante el uso de un ambú. pero para lograr la resucitación cardiaca de un paciente que tiene problemas de fibrilación cardiaca (aurícular o ventricular) es necesario utilizar un desfibrilador cardiaco para Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 42 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 5 DESFIBRILADOR CARDIACO DE DESCARGA CAPACITIVA DE ONDA SENOIDAL AMORTIGUADA CON CARDIOVERSIÓN (a) (b) Figuras 5. el desfibrilador deberá ser con cardioversor (sincronizado con la señal ECG que obtendrán del simulador de ECG diseñado previamente. b) dibujo acerca del funcionamiento de un desfibrilador Objetivo General: Identificar y explicar las características y aplicaciones de los estimuladores de propósito general y de uso especial para ayudar a recuperar el músculo cardiaco.1 a) paciente sometido a RCP con ayuda de un desfibrilador. Objetivo Particular: Diseñar y construir una fuente para cargar un capacitor de desfibrilador el cual sea capaz de desarrollar una energía de 20 Joules en un máximo de 30 segundos. La actividad eléctrica registrada es caótica. no se logra el efecto de bombeo de sangre hacia el organismo.2 Cadena de supervivencia de un paciente Figura 5. lo cual provoca una despolarización simultánea de una masa crítica de fibras musculares cardiacas. Al perderse la acción conjunta de dichas fibras. proceso conocido como desfibrilación. Figura 5.3 Focos ectópicos en el corazón causantes de fibrilación ventricular Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 43 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III aplicar una descarga eléctrica intensa a través del corazón y restablecer el ritmo cardiaco normal. Para revertir esta situación se puede aplicar una descarga eléctrica intensa a través del corazón. y en la señal de ECG no se pueden distinguir los complejos QRS. La fibrilación ventricular es una arritmia letal que resulta de la contracción incoordinada de las fibras ventriculares. Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 5.5 a y b muestran la colocación correcta de los electrodos o paletas para pasar la corriente de un desfibrilador en un simulador y en un paciente real. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 44 . Figura 5.6 El desfibrilador y la posición correcta para colocar los electrodos o paletas para realizar una desfibrilación.4 ECG representando las patologías de Taquicardia y Fibrilación ventricular (a) (b) Figuras 5. La descarga de energía se debe hacer luego del complejo QRS y antes de la onda T.7 Ubicación correcta de los electrodos para realizar una desfibrilación. restaurándose el sincronismo y el bombeo de la sangre. Cuando regresen al estado de reposo estarán en condiciones de responder al marcapasos natural (nodo S-A). y posteriormente. específicamente en el segmento ST y deberá iniciar después de detectar la onda R. El proceso de desfibrilación auricular se denomina cardioversión. de la señal de ECG. como de la densidad de corriente que se alcanza en el miocardio. Poco después Lown et al. El choque de corriente continua sobre el corazón provoca la despolarización simultánea de todas las células miocárdicas. El éxito del tratamiento depende tanto de la patología subyaciente. consecuentemente. en los años 50 para el tratamiento de la fibrilación auricular mediante choques de corriente alterna. Una descarga sobre la onda T puede desencadenar una fibrilación ventricular. Posteriormente estas Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 45 . reduce drásticamente esta complicación al realizarlo con corriente continua. disminuyendo la precarga y. que frecuentemente inducían Fibrilación Ventricular. La fibrilación auricular se puede revertir a través de medicación o aplicando una descarga eléctrica (desfibrilación) en una parte determinada del ciclo cardiaco. siendo éste alrededor de un 20% menor. primero de las aurículas y posteriormente de los ventrículos. si ha tenido éxito. el corazón retoma el rítmo eléctrico normal. La cardioversión se utilizó por primera vez en humanos por Zoll et al.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 5. Entre un 75 y 90% de la masa de las fibras responderán simultáneamente a esta activación forzada. con la despolarización y contracción muscular. que provocan una pausa para la repolarización. el rendimiento cardiaco. Cardioversión Las aurículas también pueden fibrilar. pero esta situación no representa una arritmia letal como ocurre con la fibrilación ventricular. La acción incorrdinada de las fibras auriculares hace que se pierda el bombeo de las aurículas hacia los ventrículos. Se ha normalizado que la descarga a aplicar en el paciente se mida en niveles de energía eléctrica. La descarga eléctrica se puede aplicar sobre la superficie del torax.1 Energía almacenada en un capacitor Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 46 . o directamente sobre el músculo cardiaco. donde su unidad es el Joule (J). mediante paletas de desfibrilación o parches adhesivos (electrodos). que recibe un shock de desfibrilador con cardioversión sincronizado con la onda R del electrocardiograma (ECG).8 ECG normal y significado de c/u de las formas de onda P.1) Ecuación 5. es decir emitir la descarga con la despolarización de los ventrículos. Figura 5. o directamente sobre el músculo cardiaco. mediante paletas de desfibrilación o parches adhesivos (electrodos).Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III desaparecerían al introducir la sincronización con la onda R del electrocardiograma (ECG). La energía almacenada en un capacitor se puede calcular como: E= ½ x C x V2 (5. T . QRS. y después recupera su ritmo normal ECG. Figura 5. evitando hacerlo en la repolarización ventricular. a través de paletas internas (en cirugías). los intervalos y los segmentos.9 ECG con fibrilación auricular. La descarga eléctrica se puede aplicar sobre la superficie del tórax. a través de paletas internas (en cirugías). la onda T del electrocardiograma. 10 (a) monitoreo de arritmias cardiacas. (b) corrección de arritmia cardiaca después de desfibrilación. un valor estándar es de 32 microfarads. Tambien se encuentra especificado que la energía a entregar por el desfibrilador de descarga capacitiva debe ser como máximo de 360 J para paletas externas y 50 J para paletas internas. 1) . Los desfibriladores utilizan capacitores fijos.2) Para paletas externas (Emax = 360 J) . Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 47 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III En la ecuación anterior se observa que la energía es directamente proporcional al cuadrado de la tensión. por lo tanto el valor de C de la ecuación (1) es constante. podemos calcular los valores de tensión con que se debe cargar un capacitor de 32 microfaradios para obtener una energía de 360 J o 50 J. Despejando V de la Ecuación (5. para obtener distintos valores de energía. se d3ebe modificar la tensión con que se carga el capacitor. Entonces. Si bien el valor de los capacitores difiere de acuerdo a la marca del equipo. Vmax = 4743 V Para paletas internas (Emax = 50 J) . Nota: Aquí los alumnos deberán hacer los cálculos para el que diseñarán de 20 J. Vmax = 1768 V. La corriente pico que recibe el paciente puede alcanzar los 90 A cuando la energía almacenada es 360 J. V= ((2 xE)/C) ½ (5. Normalmente la duración de la descarga es de 3 a 9 ms. (a) (b) Figuras 5. y anexarlos a su reporte. La carga del desfibrilador a su nivel máximo de energía debe durar de 5 a 15 seg. Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 5.12 (a) Doctor aplicando desfibrilación externa con cardioversión a un paciente. (b) Desfibrilador cardioversor interno implantado en el paciente como si fuera un marcapasos.11 Sistema de conducción eléctrica normal del corazón en el ritmo sinusal normal y focos ectópicos auriculares causantes de la fibrilación auricular (a) (b) Figuras 5. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 48 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Tipos de aparatos de desfibrilación Figura 5.13 Partes de un desfibrilador externo Los aparatos de desfibrilación cardiaca se clasifican según la vía de acceso en dos tipos: a)Desfibrilador externo y b) Desfibrilador interno. Los aparatos de desfibrilación cardiaca se clasifican también según el tipo de energía en: c) Monofásicos y d) Bifásicos. a) Desfibrilador externo: es aquel desfibrilador en el que La energía se administra con unas palas o electrodos colocados en el tórax, en la superficie cutánea. De estos existen dos tipos: 1. Desfibrilador-cardioversor manual o convencional. Es el utilizado por los equipos médicos. En el se visualiza en una pantalla una tira de ritmo del electrocardiograma y el médico decide la intensidad y si se sincroniza la descarga con la onda R. En caso de no sincronizar se estaría realizando una desfibrilación y si se sincroniza una cardioversión. 2. Desfibrilador externo automático (DEA) que puede ser semiautomático(DESA) si el aparato detecta la arritmia y avisa al operador para que libere la energía o completamente automático si no requiere la intervención del operador para liberar la energía. Figura 5. 14 Posición correcta para la colocación de las paletas y/o parches de electrodos de un desfibrilador externo. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 49 Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III b) Desfibrilador interno: es aquel en el que la energía se administra desde el endocardio, mediante cables-electrodos. Se precisa mucha menor cantidad de energía. Existe un sólo tipo: c) desfibrilador automático implantable (DAI): en que el generador está implantado en el tejido subcutáneo con cables-electrodos generalmente situados en las cavidades cardíacas derechas. Los modelos actuales son de onda bifásica. Se colocan en pacientes con especial riesgo de presentar una fibrilación ventricular. Figura 5.15 implante de un desfibrilador automático interno Figura 5.16 Estructura de un desfibrilador cardiaco interno implantable d) Desfibriladores Monofásicos: Son los empleados hasta ahora, y aunque son los más utilizados en la actualidad se han dejado de fabricar. Descargan corriente unipolar, es decir una sola dirección del flujo de corriente. La dosis habitualmente empleada en una desfibrilación con este aparato es de 360 julios. Dentro de este grupo existen dos formas de ondas: l Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 50 Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III 1. La monofásica amortiguada sinusoidal en el que el flujo de corriente vuelve a cero gradualmente y 2. la monofásica truncada exponencial en el que es terminada electrónicamente antes de que el flujo de corriente alcance el cero. Figura 5.17 Tipos de forma de ondas generadas por un desfibrilador e) Desfibriladores Bifásicos: Son los que descargan corriente que fluye en una dirección positiva durante un tiempo determinado antes de revertirse y fluir en dirección negativa durante los restantes milisegundos de la descarga. Son más eficaces, precisando aproximadamente la mitad de energía que los monofásicos. En el frontal del aparato debería mostrar el rango de dosis efectiva. Si se desconoce se utilizará 200 julios. Generalmente se utilizan de 2 a 4 Julios/Kg para adulto en el caso de desfibrilación. Y de 0,5 a 1 J/Kg en caso de Cardioversión. Este grupo tiene dos principales formas de onda: 1. bifásica truncada exponencial y la 2. bifásica rectilínea. Figura 5.18 Forma de Onda tipo Edmark generada por un desfibrilador Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 51 aumentando la fuerza que se le aplica sobre los electrodos. por ejemplo. La corriente de desfibrilación se ve afectada por la impedancia transtorácica. Un valor elevado de impedancia transtorácica se puede contrarrestar con una mayor intensidad de la descarga. Contraindicaciones No es eficaz. En el ECG aparece cualquier transmisión eléctrica en el corazón. son factores preponderantes para lograr una desfibrilación efectiva. y de la colocación de los electrodos de desfibrilación.19 Diagrama básico de un desfibrilador externo de onda senoidal amortiguada Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 52 . sobre todo en el caso de la asistolia. En el ECG aparce una línea isoeléctrica. pero no hay bombeo sanguíneo. en el que hay cualquier actividad eléctrica que en teoría puede ser eficaz. Además de esto. Esta impedancia depende a su vez de la superficie de la piel. Diversos factores inciden sobre la cantidad de corriente que será necesaria para desfibrilar. aire de los pulmones. huesos. ciertos medicamentos que el paciente haya consumido. ni bombeo sanguíneo. Como consecuencia. es decir cuando no hay actividad eléctrica.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Corriente de Desfibrilación e Impedancia Transtorácica La preparación de la superficie de la piel y una correcta colocación de los electrodos. incluida una imagen normal. plana. etc. que es la resistencia que ofrecen las estructuras torácicas al paso de la corriente. Estos dos casos es preciso tratar la causa subyaciente para poder conseguir salvar al paciente y aun así con posibilades muy escasas. la forma y tamaño del cuerpo. los niveles de impedancia y la cantidad de corriente necesaria para desfibrilar varían según la persona. y no se debe utilizar. en caso de paro cardiorrespiratorio cuando cursa con asistolia. la presencia de vellosidad. la ubicación de los electrodos. grasa. Ni tampoco en el caso de Actividad Eléctrica Sin pulso (AESP) que antes se denominaba disociación electromecánica. y usando un gel conductivo entre la piel y el electrodo. Diseños de circuitos electrónicos para desfibriladores cardiacos: Figura 5. se requiere que una cantidad suficiente de corriente (corriente de desfibrilación) sea liberada al músculo cardiaco. Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figuras 5.20 (a) Diagrama básico de un desfibrilador externo (b) Diagrama explicativo de partes básicas de un desfibrilador externo Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 53 Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 5.21 Diagrama a Bloques de un desfibrilador cardiaco de Texas Instruments Figura 5.22 Mecanismo de acción de un desfibrilador externo de paletas. Figura 5.23 Desfibrilador cardioversor Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 54 Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 5.24 Etapa analógica de un desfibrilador Figura 5.25 Etapa digital de un desfibrilador Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 55 así como por su seguridad durante la práctica se omitirá el uso del Transformador elevador. la onda T del electrocardiograma porque ahí podría provocar fibrilación ventricular lo que sería ‘mortal’ para un paciente real.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 5. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 56 . Las pruebas de funcionamiento se realizan con el diseño del circuito de la figura 5. Observaciones: Por razones de economía para los alumnos. es decir emitir la descarga con la despolarización de los ventrículos. Dado que se está utilizando un simulador de ECG y no un paciente real y lo que interesa es ver la sincronía de la forma de onda en el osciloscopio. colocando el simulador ECG en lugar del paciente. sincronizada por la cardioversión.29 Circuito básico de un desfibrilador de descarga capacitiva con cardioversión como aparece en el texto Electromedicina de Pablo A. Danerí. obteniendo la onda senoidal amortiguada tipo Edmark de 200 Voltios (que se verificará en el osciloscopio) y después los pulsos del desfibrilador sincronizados con la señal de ECG para la cardioversión al introducir la sincronización con la onda R del electrocardiograma (ECG). evitando hacerlo en la repolarización ventricular.29. pero los alumnos deberán mostrar los cálculos y la forma de onda de desfibrilación en las terminales que van a las paletas externas en el momento oportuno de la señal de ECG del simulador. además de prevenir riesgos a los alumnos no se hará uso de los autotransformadores y transformadores para incrementar la potencia y energía de la señal de salida. Tomando como base una frecuencia portadora de 1 MHz y como segunda frecuencia o de modulación una de 500 KHz. resistencias. Objetivo Particular: Generar las formas de onda necesarias para las funciones de un electrocauterio que pueda: cortar.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 6 ELECTROCAUTERIO MONOPOLAR Objetivo General: Integrar los criterios de aplicación del electrocauterio. bobinas y capacitores o bien con cristales piezoeléctricos osciladores y se deberán entregar los diseños y cálculos correspondientes.1 Fotografía de un electrocauterio comercial para uso monopolar y bipolar Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 57 . coagular y realizar la mezcla (Blend). coagulación y mezclas en el rango RF. como instrumento del área de quirófanos. bastará con mostrar las formas de onda para corte. para simplificar ésta práctica no es necesario agregar el amplificador de potencia del electrocauterio monopolar ESU. El generador de radiofrecuencia deberá realizarse con osciladores activos implementados con OPAM’s. Figura 6. diodos y rectificadores para generar corriente. De aquí la importancia en conocer claramente el funcionamiento de estos equipos así como todas las medidas tendientes a prevenir las complicaciones derivadas de su mal uso. siendo transformada en corriente continua por Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 58 . las cuales sustentan su función en principios físicos ligados a las propiedades energéticas de los electrones (carga negativa de la parte más pequeña de la materia.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 6. el átomo). En la Figura siguiente se puede ver un diagrama de bloques interno del instrumento. FUNCIONAMIENTO INTERNO Explicaremos un poco sobre el interior del equipo. Cabe resaltar que la electrocirugía causa más lesiones a los pacientes que cualquier otro dispositivo eléctrico utilizado en el quirófano y la mayoría de los accidentes se deben a errores de manipulación. es decir. Su uso se remonta a comienzos del siglo XX cuando por accidente se descubre que una corriente eléctrica de alta frecuencia podía separar los tejidos y generar muy poco calor. Sin embargo sólo en la década de 1970 aparecen las unidades electroquirúrgicas que emplean transistores.2 Diagrama a Bloques de un electrocauterio monopolar y bipolar. Introducción El término electrocirugía se refiere a la utilización de corrientes eléctricas oscilantes de alta frecuencia con el fin de cortar o coagular el tejido durante el acto quirúrgico. La energía necesaria es tomada de la red eléctrica de 120 V. Luego son ampliadas en el Amplificador de Potencia. Figura 6.3 diagrama a Bloques de un electrocauterio monopolar y Bipolar Figura 6. También deben de disponer de un circuito de desconexión de emisión en caso de placa neutra desconectada. la señal moduladora. estos equipos deben avisar.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III la Fuente de Alimentación interna. o la toma bipolar. El circuito se cierra por la toma de neutro o antena para el monopolar y entre terminales de pinza para la bipolar. El módulo Oscilador de RF se encarga de crear la onda portadora y el Oscilador de Coagulación. hacia la pinza electro coaguladora. Este módulo se encarga de proveer energía a todos los demás. ya que aquí lo problemático. En el caso de electrodo tipo antena. Siguiendo normas. la activación de los electrodos. para salir. según selección. hacia el mango porta electrodos. con señal luminosa y acústica. con el fin de evitar quemaduras. con el fin de advertir a los operadores cercanos y evitar los accidentes. Estas dos ondas son mezcladas en el Modulador. por la toma monopolar.4 Circuito monopolar de un electrocauterio Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 59 . es que se rompa el aislante y se produzcan con ello quemaduras de contacto. el problema se invierte. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 60 .6 Circuito bipolar de un electrocauterio Figura 6.7 formas de Onda Para corte.5 Diagrama a Bloques del circuito monopolar de un electrocauterio Figura 6.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 6. coagulación y mezclas de un electrocauterio. 8 (a).Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III (a) (b) (c) Figuras 6. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 61 . Figura 6.9 Sumas de formas de onda RF para obtener la modulación de corte. (b) y (c) formas de onda para corte coagulación y mezclas y formas típicas de corte y mezclas de un electrocauterio. coagulación y mezclas de un electrocauterio. Figura 6. A estas altas frecuencias las grandes corrientes fluyen dentro de la célula. Como el electrodo se maneja cerca de la piel en estos voltajes. Cuando la corriente RF es aplicada. La existencia de chispas en una aplicación normal de la unidad electroquirúrgica (ESU por sus siglas en inglés) aumenta el riesgo de incendios en presencia de anestésicos u otros gases inflamables. Las corrientes de corte y las chispas tienen un efecto cauterizante sobre el tejido que inhibe las hemorragias. no fluye ninguna corriente y por lo tanto no hay ninguna acción de corte. consta de varios osciladores de radiofrecuencia que operan entre 300 KHz y 3 MHz. y además causan una ruptura del tejido cercano al electrodo de corte. una chispa puede brincar a través de él. un chispa de 0.33 cm de longitud puede ser generada. no hay chispas. El electrodo de la ESU tiene muchísimas ventajas si lo comparamos con el bisturí tradicional de acero inoxidable. El voltaje de ruptura del aire es de aproximadamente 30 KV/cm. Estas corrientes de altas frecuencias no provocan contracción muscular o fibrilación cardiaca. disminuye rápidamente a niveles no peligrosos.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III La unidad Electroquirúrgica básica. Cuando el electrodo es mantenido alejado del cuerpo. La densidad de corriente a corta distancia del delectrodo de corte . provocando que se evaporen. Más aún el ESU puede reducir la pérdida de sangre y minimizar el tiempo de los pacientes dentro del quirófano.10 Unidad de Electrocirugía Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 62 . por ejemplo si el electrodo tiene un voltaje de 10. Cuando el electrodo toca la piel.000 volts. asi. Los voltajes en el electrodo pueden variar desde 1000 hasta 10. Uno de los riesgos con la unidad (ESU) electroquirúrgica es el de quemaduras en la placa del electrodo de retorno debidas a mal contacto con la superficie de la piel. El electrodo de retorno debe tener una area suficientemente grande para minimizar el efecto de calentamiento que provocaría quemaduras superficiales. esta pasa a través de las membranas de las células mediante acoplo capacitivo.000 voltios pico a pico (Vpp). El electrodo de corte tiene una punta que sólo permite el corte dentro del rango de corrientes de RF producidas por el oscilador. 12 Diagrama a bloques de Unidad Electroquirúrgica Figura 6.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 6.13 Diagrama a Bloques de un Electrocauterio monopolar. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 63 .11 Partes externas de una unidad de electro cirugía Figura 6. 14 Osciladores con cristales de cuarzo Un oscilador de cristal es aquel oscilador que incluye en su realimentación un resonador piezoeléctrico (fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Hablemos un poco ahora de los circuitos osciladores Los osciladores RC : utilizan una red de resistencias y capacitores para determinar la frecuencia de oscilación. Figura 6. las bobinas y capacitores son utilizados ya sea en serie o en paralelo para determinar la frecuencia. Pero tienen un alto grado de estabilidad y exactitud comparados con otros tipos de osciladores no olvidar que para que el cristal piezoeléctrico oscile se necesita combinar el circuito con un OPAM. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 64 . Estos osciladores son apropiados para aplicaciones de baja y moderada frecuencia (rango de audio) de 5Hz a 1MHz. Osciladores LC : Aquí. Se pueden clasificar como: o o o Oscilador de cambio de fase RC Oscilador de puente de Wien Oscilador Twin-T 2. apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie).Osciladores de Cristal : Como los osciladores LC son más apropiados para aplicaciones de radiofrecuencia. Estos son más apropiados para radiofrecuencia (1 a 500 MHz) y se clasifican como: o o o o Oscilador Hartley Oscilador Colpitts Oscilador Clapp y Oscilador Armstrong 3. en el margen de 0 a 70ºC. Los diseños con PIC’s tienen la problemática de que requieren el acondicionamiento de la señal obtenida para Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 65 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Características El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase. pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25ºC. TL082 o TL084 que son JFET OPAMS y manejan hasta 3 MHz. que aproxima la frecuencia de este. con un condensador en serie con el resonador. Los osciladores de cristal generan ondas cuadradas de RF. pero para los rangos bajos de RF específicados en esta práctica se puede trabajar con TL081. que deberán integrarse dos veces (a través de integradores con OPAM’s) para generar la forma de onda senoidal que se necesita para el electrocauterio. No olvidar que el circuito oscilador tiene que ser LC o a base de cristal piezoeléctrico de cuarzo y la frecuencia portadora debe ser modulada por lo que hay que trabajar para las frecuencias de coagulación y mezclas trabajando también con otras frecuencias que sumadas y rectificadas nos den la forma de onda deseada. Los osciladores con OPAM’s para usos de radiofrecuencia pueden ser de uso específico como el AD8067 o el AD 8351. Se puede hacer un diseño barato de oscilador de RF de cristal de forma de onda cuadrada con ayuda del reloj de cuarzo de 4MHz del circuito de prueba del PIC16F84A. La dependencia con la temperatura depende del resonador. dada por el resonador. Este ajuste se puede utilizar en los VCO para modular su salida. La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. Algunos osciladores nos pueden servir para mostrar rangos de frecuencia senoidal amortiguados. pero hay que agregar el circuito RC o integración analógica posterior LC y además la doble con OPAM’s TL081 para convertir la onda cuadrada en una onda senoidal que nos pueda servir de base para generar las frecuencias portadora y de modulación de nuestro electrocauterio. de la resonancia serie a la paralela. Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia. Figura 6.15 : diseño a bloques de un electrocauterio Valley Lab. haciendo uso de una pastilla de jabón de tocador colocada sobre la placa de retorno en la que se realizarán las operaciones de corte y coagulación y se reportará el efecto obtenido por el dispositivo sobre la pastilla de jabón de tocador. con ayuda del osciloscopio. También se verificará las formas de onda obtenidas para corte. 1990. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 66 . Merril. “Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement”.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III trabajar en las condiciones de HV (HV: High Voltage) requeridas para esta práctica. tomado del libro: Aston Richard. Pennsylvania State University. Ed. coagulación y mezclas antes de pasar a la etapa de potencia. Las pruebas de funcionamiento se realizarán con la punta de electrocirugía monopolar y el electrodo o placa de retorno. realizar el conteo de los pulsos obtenidos y desplegar el pulso por minuto. Objetivo Particular: Detectar la señal de biopotencial del pulso carotídeo con un micrófono de cristal piezoeléctrico modificado y adaptado para ese uso. ya que a través de las arterias carótidas derecha e izquierda se suministra sangre oxigenada desde el corazón hasta el cerebro del paciente.1 anatomía de la arteria carotída Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 67 . En esta práctica se adaptará un micrófono de cristal piezoeléctrico para ser usado como un estetoscopio electrónico que nos permita detectar y medir el pulso carotídeo. La detección del pulso carotídeo es importante en el paciente con enfermedad cardiaca. Figura 7. Introducción teórica: Los transductores usados en el diagnóstico por ultrasonido están basados en el principio del efecto piezoeléctrico. Este principio indica que ciertos materiales tienen la capacidad de cambiar sus dimensiones cuando están colocados en un campo eléctrico e inversamente generan un campo eléctrico cuando están sujetos a una deformación mecánica.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 7 TRANSMISIÓN ULTRASONICA DETECTAR EL PULSO O LATIDO CAROTÍDEO CON UN MICROFONO DE CRISTAL PIEZOELÉCTRICO Objetivo General: Identificar y explicar las características del transductor piezoeléctrico de ultrasonido con su caracterización en la medición de variables fisiológicas en este caso el pulso carotídeo. Por tal motivo la detección del pulso carotídeo forma parte del procedimiento de examen físico del paciente con problemas cardiovasculares. debajo del ángulo de la quijada. Se busca en el recorrido de las arterias carótidas. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 68 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III El pulso de la carótida se puede sentir a cada lado en la parte frontal del cuello. Los más buscados son los siguientes: • • • • pulso carotídeo. Se palpa profundo en la fosa de la axila. ni masajearla. medial al borde anterior del músculo esternocleidomastoídeo. Este "golpe" rítmico es causado por la variación de volúmenes de sangre empujados fuera del corazón hacia las extremidades. por el riesgo que pueda desprenderse una placa de ateroma. además de sentirlo hay que contarlo con ayuda de un reloj con segundero. Se conoce también como pulso humeral. hacia medial. entre el tendón del músculo flexor radial del carpo y la apófisis estiloide del radio. pulso braquial.2 Como se detecta de forma manual el pulso carotídeo. pulso radial. Se palpa sobre la cara anterior del pliegue el codo. Se palpa en la cara anterior y lateral de las muñecas. pulso axilar. En las personas mayores no conviene presionar mucho sobre la arteria. Figura 7. por detrás del borde posterior del músculo pectoral mayor. Los valores normales del pulso para la frecuencia cardíaca en reposo son: • • • • Recién nacidos: de 100 a 160 latidos por minuto Niños de 1 a 10 años: de 70 a 120 latidos por minuto Niños de más de 10 años y adultos (incluyendo ancianos): de 60 a 100 latidos por minuto Atletas bien entrenados: de 40 a 60 latidos por minuto El pulso arterial se puede palpar en distintas partes del cuerpo. el cual es considerado como una extensión del aparato cardiovascular. Puede convenir efectuar una palpación bimanual. y a auscultación. Al momento de hacer la inspección como decíamos se tratará de establecer si es ó no visible el pulso carotideo en forma bilateral. puede facilitar ubicar el pulso pulso tibial posterior Se palpa detrás de los maléolos internos de cada tobillo. La valoración de la intensidad del pulso carotideo es de gran importancia debido a que indirectamente refleja la calidad del gasto cardiaco de este paciente. Aquí no cabe la maniobra de percusión y se pasa a la auscultación. por ejemplo: Insuficiencia cardiaca los pulsos carotideos estarán disminuidos de intensidad. es regular ó irregular. pulso poplíteo. Se palpa bajo el pliegue inguinal. de las causas más comunes que producen circulación hiperdinámica se encuentran: La insuficiencia aórtica. lateral al tendón extensor del ortejo mayor. anemia. entonces será el caso de un pulso carotideo disminuido de intensidad y si el pulso carotideo es más intenso que el del alumno será un caso en el cual el pulso carotideo es más intenso que el del alumno será un caso en el cual el pulso carotideo está aumentado de intensidad). es decir. Esa orden es invariable. la cual se hará con la campana del estetoscopio o estetophone aplicada suavemente sobre el área en la cual se Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 69 . Una palpación transversal a la dirección de la arteria. usualmente debido a un proceso de arteriosclerosis. Es importante establecer si la amplitud del pulso carotideo es igual en ambas carótidas. palpación. hay ocasiones en las cuales el pulso carotideo tiene características hiperdinámicas. ya sea estando el paciente en decúbito dorsal o prono. hacia medial.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III • • • • pulso femoral. El examen físico del paciente cardiovascular desde el punto de vista médico empieza con el examen del cuello. (para valorar la intensidad del pulso carotideo el alumno tocará sus propias carótidas tomando éstas como normales. Se palpa en el dorso de los pies. A la palpación se determinarán las siguientes características del pulso carotideo. esto es que al observar la región carotídea se observa un pulso “saltón”. que en aquellos casos en los cuales el gasto cardiaco está disminuido. En cada uno de los diversos apartados que se van a mencionar siempre se seguirá el siguiente orden: Inspección. embarazo. Se palpa en la cara posterior de las rodillas. En el cuello a la Inspección. fiebre y ejercicio. hipertiroidismo. percusión cuando haya lugar. normalmente el latido carotideo es débilmente perceptible. el primer dato que vamos a observar es la presencia del latido carotideo. un ejemplo de disminución de pulso carotideo en forma unilateral generalmente es el de aquel paciente que tiene una obstrucción de la carótida. con dos o tres dedos. debido a que en esta región se encuentran las arterias que conducen la sangre que va a nutrir al cerebro y las venas yugulares que regresan la sangre hacia el corazón. pulso pedio. frecuencia. si el pulso carotideo del paciente es menos intenso que el del alumno. intensidad. en comparación con unos pocos ohmnios para uno del tipo de bobina móvil. de esta maniobra solamente se anotará si se encuentra ó no la presencia de soplos. Todos los transductores piezoeléctricos requieren un material cristalino en el cual los iones del cristal estén desplazados de un modo asimétrico cuando el cristal se deforma. Un transductor piezoeléctrico puede estar unido a un sólido o inmerso en un líquido no conductor para captar señales sonoras. El micrófono que se presenta a continuación puede ser adquirido con facilidad en el centro de la Ciudad de México. Además. Uno de los materiales usados es el titanato de bario. D. solamente con los problemas de los efectos de carga y filtrado del cable del micrófono.F. así mismo auscultar por debajo de las dos subclavias. De esta manera terminamos con el examen físico del sistema arterial en el cuello. el cristal transductor se acopla directamente a un preamplificador MOS que puede sacar una baja impedancia de salida con el mismo nivel alto de voltaje de salida que proporciona el transductor piezoeléctrico. la recepción electrostática de zumbidos/murmullos es casi imposible de evitar. en raras ocasiones serán sistólicos y diastólicos. Esto aseguraba niveles de salida muy altos (del orden de 100 mV). El voltaje de operación del preamplificador puede ser dado por una batería para evitar los problemas de llevar la alimentación a través de cables además de los cables de la señal. algunos tipos se pueden usar hasta la región alta de los MHz. Los primeros micrófonos de cristal usaban cristales de sal Rochelle acoplados a un diafragma.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III palpa el pulso carotideo. en donde venden productos para música. La linealidad puede variar considerablemente según el tipo de material que se use. el transductor piezoeléctrico se puede usar fácilmente a frecuencias ultrasónicas. En el momento de la auscultación del cuello es importante también auscultar sobre el hueco supraesternal. Hoy en día se usan cristales sintéticos en lugar de naturales. es un estetoscopio de solapa de cristal como el que utilizan para tocar Blues con armónica los músicos. el cual se usa en transductores piezoeléctricos para frecuencias por encima de varios cientos de Khz. No es Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 70 . los cuales usualmente son solamente sistólicos. El micrófono piezoeléctrico que usaba un diafragma unido a un cristal es raramente visto ahora. El micrófono piezoeléctrico tiene un gran nivel de impedancia y una salida mucho más grande que otros tipos. Para micrófonos de baja calidad esto tiene poca importancia. La sal Rochelle dejo de usarse hace tiempo debido a que pasaba a un estado inactivo cuando se mantenía a una temperatura y humedad moderadamente altas. A este alto nivel de impedancia. pero no para los propósitos de los estudios de grabación. porque la sensibilidad de los materiales piezoeléctricos modernos a la vibración es tal que es suficiente el impacto de la onda de sonido en el cristal para producir la salida adecuada. con una gran impedancia de salida y una linealidad muy mala. El transductor a base de micrófonos de cristal piezoeléctrico tiene la ventaja sobre todos los otros tipos en el hecho de no estar limitado al uso en el aire. Para estos. El nivel de la impedancia es del orden de varios megaohmnios. aquí hay que fijarlo a una tapa de plástico con dos perforaciones para sacar los alambres. Figura 7. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 71 . conectar las terminales a un cable como el de los micrófonos de radio.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III muy costoso y se puede adaptar y modificar fácilmente para uso Biomédico en un detector de pulso carotídeo. una vez modificado y seco el resultado esperado es algo parecido al siguiente: Figura 7.4 este es otro tipo de adaptación para uso médico de un cristal piezoeléctrico. aislar con termofit y fijar con una cinta de Velcro. fijar con silicón y material flexible. En esta práctica se propone que se compre un micrófono de cristal de solapa de diámetro aproximado de 2 cms. sólo hay que desatornillar la carátula plateada. colocar silicón y reemplazar la carátula por una capa de plástico flexible como las de los estetoscopios convencionales. Y que sea adaptado para el uso médico como un estetoscopio electrónico de cristal mediante algunas modificaciones realizadas a base de silicón y reemplazando el diafragma rígido por uno flexible.3 Tipo de micrófono de cristal de solapa comercial utilizado para adaptarlo para uso médico en el detector de pulso carotídeo. 6 Respuesta en frecuencia del micrófono piezoeléctrico Aunque su respuesta es mejor que el micrófono de carbón. por lo que se utiliza solo en micrófonos pequeños para voz. al presionar la parte flexible del sensor se generará un voltaje eléctrico en respuesta a la señal de presión. no llega a ser suficientemente bueno para grabaciones profesionales.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Los micrófonos piezoeléctricos se basan en la capacidad que tienen los cristales piezoeléctricos de generar cargas eléctricas al ser sometidos a presión (En griego piezein = presión).5 Esquema interno de un micrófono piezoeléctrico Figura 7. Figura 7. Figura 7.7 Efecto piezoeléctrico. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 72 . Clive Smith utiliza un diafragma del estetoscopio con una superficie interna eléctricamente conductora para formar un sensor capacitivo. Todas estas características son provechosas con objeto de la enseñanza. 3M también utiliza un cristal piezoeléctrico colocado dentro de espuma detrás de un diafragma parecido a la goma grueso. abarca la colocación de un cristal piezoeléctrico en el centro de una caja de metal y adaptando un eje. con los cambios en un campo eléctrico que substituye cambios en la presión de aire. Esto preserva el sonido de un estetoscopio acústico con las ventajas de la amplificación. Este método sufre de interferencia del ruido de ambiente y por eso no se utiliza mucho. Ruido acústico de Werblud) que cancela modelos del estetoscopio. Los estetoscopios electrónicos requieren la conversión de ondas acústicas a las señales eléctricas que se pueden amplificar y procesar para escuchar mejor. Reducción del nivel de ruidos La filtración del ruido de ambiente ha llegado a estar disponible en algunos estetoscopios electrónicos. En ruido de ambiente acústico de los estetoscopios la filtración está disponible en DRG (R. que se basan en los mismos principios físicos. que haga el contacto con un diafragma. De forma semejante a la de los estetoscopios acústicos. Modelos reducting del ruido externo de Deslauriers). Este diafragma responde a las ondas acústicas idénticamente a un estetoscopio acústico convencional. No Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 73 .Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Un estetoscopio electrónico (o stethophone) permite amplificar electrónicamente los sonidos del cuerpo. usado en el estetoscopio Galés-Allyn's de Meditron. y Magna Fortis (M. representación gráfica de los sonidos cardiológicos y pulmonologic que se generarán. Stethographics introdujo el software PC-basado que permitió un phonocardiograph. los transductores en estetoscopios electrónicos varían extensamente. Método más simple y el menos eficaz de detección sana es alcanzado colocando un micrófono en el chestpiece. con los métodos de Littmann 3000 de 3M y de Thinklabs ds32a para eliminar ruido de ambiente. Para la medición del pulso carotídeo se sugiere un filtro pasabajas con frecuencia de corte a 500 Hz y de ser posible la adaptación de un filtro Notch para eliminación de la señal de ruido eléctrica de 60 Hz. Otro método. e interpretados según algoritmos relacionados. El inventor del ritmo 32 de Thinklabs. Alrededor 2001. El más utilizado para la práctica que estamos realizando es el de micrófono de cristal piezoeléctrico. eliminación de ruido con filtro Notch a 60 Hz.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III olvidar la introducción de Buffers en aquellas partes que se requiera para evitar problemas de impedancia.9 Este diseño de etapa de amplificación está propuesto con el IC TL081 y utiliza un micrófono de cristal piezoeléctrico. además de amplificación se requiere filtrado de la señal con filtro activo pasabajas con fc de 500 Hz. Figura 7. que genera un voltaje ante cambios en la presión de un Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 74 . en este caso utiliza un micrófono Electret. comparación de la señal para generar pulsos tipo TTL. Micrófono de cristal Piezoeléctrico Figura 7. y la parte digital para el conteo de los pulsos y el despliegue digital de la señal en pulsos por minuto.8 Diseño análogico de un estetoscopio electrónico. se colocará el micrófono piezoeléctrico adaptado en la posición indicada por los dedos en la parte lateral del cuello como aparece en la figura 7. No olvidar documentar bien el diseño e incluir las características de adaptación del transductor y de ser posible hacer un prototipo pues este tipo de dispositivo será de gran utilidad para los médicos como herramienta para el diagnóstico dentro del hospital ya sea en el área de consulta general. el LM339 para la sección de amplificación. comparación y despliegue digital en pulsos por minuto en Displays de LED o LCD de al menos dos dígitos. esta señal se multiplicará por 4 para obtener el conteo de pulsos por minuto el cual será desplegado en display LCD o de LEDs o bien para ser contada con un microcontrolador PIC 16F084. filtrado y comparación (no olvidar que el IC LM339 es open collector) y en la etapa de conteo digital de la señal también se permite el uso de microcontroladores PIC. amplificación. y una etapa de filtros activos con OPAMs que filtrarán la señal de 0 a 500 Hertz con un filtro pasa bajas. Para verificar el pulso carotídeo. (16F804 o posteriores). en las etapas de salida del micrófono piezoeléctrico. filtrado. Figura 7.10 : Imagen del osciloscopio de los pulsos analógicos detectados por el micrófono de cristal piezoelécrico El tipo de OPAM’s sugeridos para esta práctica son el 741 y el TL081.2. Las pruebas de funcionalidad se realizarán mediante la observación de la señal electrónica del pulso carotídeo en el osciloscopio. Verificando la frecuencia de los pulsos por minuto de forma manual y automatizada. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 75 . consulta de especialidad de cardiología o de terapia intensiva.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III diafragma y no necesita de polarización cuya señal es amplificada por un amplificador no inversor con polaridad de +9 y -9 Volts. Una vez amplificada y detectada la señal puede pasar a una etapa de comparación con OPAMs polarizados con 0 y 5Vdc y de ahí a un contador de pulsos que tendrá un latch que congelará la cuenta cada 15 segundos. OPAM’s y microcontrolador PIC 16F084 El termistor se puede adaptar en la mascarilla a la altura de las fosas nasales. también se puede adaptar a un popote que se colocará en la fosa nasal. resistencias. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 76 . en base a los cambios de temperatura entre el aire inspirado y expirado haciendo uso de un termistor NTC o PTC Objetivo Partícular: Diseñar un dispositivo para haciendo uso de un termistor y un contador. capacitores.1 Termistor NTC o PTC Material necesario: 1 popote o mascarilla para paciente Pegamento de silicón 1 termistor NTC o PTC de tamaño pequeño que quepa dentro de un popote o pueda ser fijado a la mascarilla de oxígeno. Circuitos integrados.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 8 RESPIRADORES Y VENTILADORES MEDICION DE LA FRECUENCIA RESPIRATORIA HACIENDO USO DE UN TERMISTOR Objetivo General: Detectar la frecuencia respiratoria. medir la frecuencia respiratoria Figura 8. o en un popote que se fijará posteriormente a la fosa nasal Figura 8.2 Adaptación del termistor a una mascarilla de oxígeno. Existen dos tipos de termistor: • NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo • PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo La fórmula del termistor está dada por la ecuación 8. el aire inhalado al entrar en el cuerpo se calienta y ese cambio de temperatura puede ser detectado con el termistor. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Figura 8.3 Respiración Normal Inhalación y Exhalación. y esta frecuencia se incrementa durante el ejercicio llegando incluso a ser un poco más de 22 respiraciones por minuto durante el ejercicio. En los pacientes de terapia intensiva es muy importante poder monitorear la frecuencia respiratoria con dispositivos sencillos como el que se propone en esta práctica que tienen la ventaja de poderse adaptar a un popote o una mascarilla que permite al paciente el respirar oxigeno y a la vez monitorear la frecuencia respiratoria.1) Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 77 . Introducción teórica: Uno de los signos vitales más importantes que se deben monitorear en los pacientes de terapia intensiva es la frecuencia respiratoria.1 : (8. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. La frecuencia respiratoria dentro de los límites normales es de 14 a 16 respiraciones por minuto en reposo. Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. pasarán a una etapa de contador con un latch que congelará la señal ya sea cada 15 segundos o 1 minuto. una vez obtenida esa señal se desplegará el resultado en respiraciones por minuto. dicha señal será amplificada mediante el uso de amplificadores operacionales de tipo 741 o TL081. La parte digital si se desea también se puede realizar utilizando microcontroladores PIC16F084 o superiores. El termistor puede adaptarse a un popote o a una mascarilla de oxigeno y en el caso de la mascarilla de oxigeno se tomará la precaución de no estorbar con el termistor el flujo libre de Oxigeno a través de la misma hacia el paciente. una vez obtenida la señal del comparador en pulsos tipo TTL. La creación de este dispositivo para medir la frecuencia respiratoria se basa en la detección y amplificación de la señal de un termistor que es sensible a los cambios de temperatura que se dan entre el aire inspirado y expirado por el cuerpo de una persona.4 (a) Divisor de voltaje y (b) puente de wheatstone Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 78 . El termistor se adapta al popote o la mascarilla soldándole en sus terminales 2 cables de ½ metro y aislando el sistema con termofit para evitar falsos contactos y errores en la lectura. y después pasará a una etapa de comparación analógica haciendo uso de un OPAM LM339 (open collector) polarizado con 5Vdc y tierra. una vez detectada la señal del termistor de los cambios de temperatura ya sea mediante un divisor de voltaje o con la ayuda de un puente de Weathstone.4 (a) y (b): (a) (b) Figura 8. Para mejorar la calidad de la lectura el termistor se monta en un divisor de voltaje o en un puente de Wheatstone como el que se muestra en la figura 8. eso no tiene mucha importancia para la presente práctica ya que sólo se pretende distinguir la diferencia de temperatura en dos puntos muy específicos ( aire inspirado y aire expirado).Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III donde Aunque el comportamiento del termistor es no lineal. Las pruebas de funcionalidad consistirán en la colocación del detector dentro del popote en una fosa nasal o adaptado en la mascarilla. Posteriormente la salida amplificada del OPAM. en el caso de utilizar microcontroladores PIC deberán incluir en su reporte el programa utilizado para programar su microcontrolador para el uso deseado. la medición del cambio de temperatura del termistor entre aire inhalado y exhalado con un multímetro y con osciloscopio. y la observación de la salida digital en despliegue a dos dígitos de LCD o LED’s con el valor correspondiente en respiraciones por minuto. se amplifica la señal con ayuda de OPAM’s y se le da la ganancia deseada: Figura 8. es introducida a una configuración de comparación con OPAM’s polarizados con 5VDC y tierra para generar a la salida los pulsos TTL que serán contados ya sea con TTL’s o con el microcontrolador PIC 16F084 que además del conteo se encargará de desplegar el resultado en respiraciones por minuto.5 Circutios amplificadores con puentes de Wheatstone para amplificar la señal del termistor y obtener la frecuencia respiratoria.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Una vez logradas las variaciones de voltaje deseadas entre inspiración y espiración. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 79 . por lo que requieren de más adaptaciones. esto es se requieren 2 o más etapas de transductor para obtener la señal deseada o de interés. preparación y/o acondicionamiento del transductor que generalmente es de tipo secundario. ajustes . Estas prácticas están diseñadas sólo con propósitos didácticos para fines de enseñanza.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Conclusiones Este cuaderno de prácticas de Laboratorio fue desarrollado a lo largo de tres semestres de impartir la materia de Laboratorio de Bioinstrumentación III ante la necesidad de elaborar prácticas apegadas al programa de estudios que sirvieran de base para impartir la materia que forma parte del plan de estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica en la UPIBI. Algunas de las prácticas realizadas van entrelazadas con la práctica correspondiente al diseño de un simulador de ECG funcional. requieren de que los alumnos tengan previamente un conocimiento profundo de la electrónica. Con las prácticas propuestas se cubre totalmente los requerimientos de aprendizaje de la materia de Laboratorio de Bioinstrumentación III. diseños de prototipos y pruebas. asi mismo hemos observado que se sienten más seguros de los conocimientos teóricos que tienen al irlos integrando en la aplicación y realización de c/u de las prácticas que se explican aquí y muchos de ellos nos han comentado que la realización de estas prácticas les ayuda a comprender mejor el principio de funcionamiento de los equipos médicos y esto les sirve de base para darles un mejor cuidado y mantenimiento dentro de los hospitales. Estas prácticas sirven para integrar los conocimientos de materias previas en el diseño de dispositivos Biomédicos prácticos. además de pasar por procesos de normatividad y estándares de calidad nacionales e internacionales antes de pensar en proponerlas para su uso con pacientes reales dentro de los hospitales. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 80 . que les sirvieron de apoyo en sus estudios. la instrumentación médica y los transductores. el cuál sirve de base para el diseño y prueba posterior de los diseños de un desfibrilador con cardioversión y un marcapasos cardiaco. estas prácticas no son para principiantes. El mayor reto en el desarrollo de cada práctica radica en la obtención. fue bastante interesante ver como poco a poco van construyendo y enriqueciendo su conocimiento al realizar cada una de las prácticas explicadas en este cuaderno. Al trabajar con el desarrollo de los diseños propuestos en las prácticas presentadas se refuerza de esta forma la teoría que respalda cada una de las prácticas y puede servir para reforzar y apoyar el conocimiento de los fundamentos teóricos y principios de operación de c/u de los dispositivos presentados. Para los profesores a sido una buena experiencia el ver el interés que han puesto los alumnos en el material desarrollado. para apoyarlos más en sus diseños prácticos se les hizo utilizar más la “nube de internet” y se bajaron algunos videos sobre los temas de interés. Edition.C. “Principles of Biomedical Instrumentation Measurement”. Merril. Aston Richard.D.R. 2001 6.E. 2nd Edition. “Modelling Methodology for Physiology and Medicine”. Merril. 2007 8. 2001 5.Webster. Barber. Ed. Hasa.engr. Daneri. J. 2nd. Barea Navarro. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 81 .R. Del Aguila. Lawford. J. J. “Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement”. 2003. “Biomedical Instrumentation and Measurementes”. 2000 4.D. “Medical Physics and Biomedical Engineering”. 2nd Ashton Richard. 1990.edu/ecow/get/bme/310/webster/bme310bio 12. Carson..V.R.G. 3. Baker L. 1994. Pfeiffer Erich A. Equipos de diagnóstico y cuidados intensivos”. Ed. . J. Cromwell Leslie . Pennsylvania State University. Weibell Fred J. (Editor) “The Biomedical Engineering Handbook.. 10. “Electromedicina. 1990.Geddes L. Ed.wisc..J. (Editor) “BioInstrumentation”.. “Principles of applied Instrumentation”. (Editor) “Medical Instrumentation Application & Design”. Ed. C. Academic Press.H. Ed. Brown.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Bibliografía 1. Hasa.B.D.G. Ed.Webster. “Introduction to Biomedical Engineering”. y Cobelli. and 2. Blanchard. Enderle. en Internet: http://courses.E. 1994 9. y Bronzino. 2000. y Hose. Institute of Physics. Pablo A.. Bronzino.D. Pennsylvania State University.H. 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Mc Graw Hill Book Company. Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Anexos Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 83 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Anexo 1 Configuraciones básicas con amplificadores operacionales OPAM’s Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 84 . Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos . La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia R g Así que por ella circulará una corriente: Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 85 . para minimizar el error de medidas Estructura En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentación: Ajuste de CMRR Figura 1: Configuración electrónica de un amplificador de instrumentación. el electroencefalograma EEG.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Anexo 2 Amplificador de instrumentación Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales.Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles. el electrocardiograma ECG. Se puede construir a base de componentes discretos (amplificadores operacionales OPAM’s como el IC 741. el electromiograma EMG y el electrooculograma EOG). tales como equipos médicos (por ejemplo.y + respectivamente) de los dos operacionales. el IC LM324 y el IC TL081) o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el AD620 de amplia utilización en el campo de la instrumentación Biomédica). Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). la ganancia total del amplificador de instrumentación será: Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 86 . 's (justo antes de las R 2 )..R 1 yR 1 (2) será: (3) Simplificando: Que será la DIFERENCIA de tensión entre la salida inmediata de los dos A. la cual se acaba de definir. (4) Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores iguales a las resistencias. Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada(sin añadir ganacia).Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III (1) Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O.O. En caso de que las resistencias no sean iguales. esa corriente será la misma que atraviesalas resistencias R 1 Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por R g . Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante. Para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone. 2. Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas). 4. También puede sustituirse la conexión a tierra por otra a una tensión dada. En fuentes de alimentación. 3. Aplicaciones 1.Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III (5) En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia R g para poder controlar la ganancia. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 87 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Anexo 3 Rangos de Frecuencia de parámetros biomédicos fisiológicos Rango y frecuencia de parámetros fisiológicos (3) Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 88 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Rango y frecuencia de parámetros fisiológicos (4) Rango y frecuencia de parámetros fisiológicos (5) Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 89 . Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Anexo 4 Programa de Estudios de la materia de Laboratorio de Bioinstrumentación III Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN Página 90 .