REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD Dr. RAFAEL BELLOSO CHACIN FACULTAD DE INGENIERIA ELECTROMEDICINA Unidad II Procesamiento de Señales en Bioingeniería Prof: Ing. José Orozco. M.Sc. C.I. 11871532 Señales Biopotenciales Procesamiento Digital de Señales Técnica empleada para transformar señales de fuentes del mundo real, por lo general analógicas, en datos digitales para su posterior análisis. Principalmente cuenta con Amplificadores, Filtros y Convertidores Analógicos/Digitales. SENSORES PARA INSTRUMENTACION BIOMEDICA Sensor: Traductor: Clasificación de los Sensores: De acuerdo a la Naturaleza de la Medición: • Desplazamiento (Velocidad, Aceleración y Fuerza). • Presión, Flujo. • Biopotenciales. • Temperatura. • Dimensión, Deformación. De acuerdo al Método de Conversión de Variable: • Resistivo. • Inductivo. • Capacitivo. • Piezoeléctrico. • Óptico. • Galvánico. Sensores de Desplazamiento, Fuerza, Presión Miden variaciones de tamaño, forma y posición. Estos pueder ser: • Resistivos. • Inductivos. • Capacitivos. • Piezoeléctricos. Sensores Resistivo Medidor de Deformación: Cuando un cable fino es tensado dentro de sus limites de elasticidad, la resistencia del cable cambia a causa de los cambios en el diámetro, la longitud y la resistividad. El Resultado del medidor de deformación puede ser usado para medir desplazamientos extremadamente pequeños, en el orden de los nanómetros. L A ρ E l. Transversa Sección la de Área : A Conductor. del Longitud : L ad. Resistibid : a. Resistenci : A L µ µ R R = Sensores Resistivo A d L LdA A A dL dR µ µ µ + ÷ = ÷2 µ µ d A dA L dL R dR + ÷ = Sensores Resistivo Tomando la derivada de R con Respecto a L, A y ρ: Sacando la relación dR/R: Considerando la relación de Poisson “µ”, que relaciona los cambios de diametro a cambio en la longitud: L dL D dD µ ÷ = Sensores Resistivo Tomando en cuenta que el Área de la sección transversal del cable esta dado por: 4 2 D A t = 4 2 dD dA t = D dD A dA 2 = Por lo tanto L dL A dA µ 2 ÷ = µ µ µ A + A + = A L L R R ) 2 1 ( Efecto Dimensional Efecto Piezoresistivo El factor de deformación esta dado por: ( ) L dL d L dL R dR G / / 2 1 / / µ µ µ + + = = Relación de Poisson: El coeficiente “µ” de Poisson es el cociente de la tensión transversal de la contracción a la tensión longitudinal de la extensión en la dirección de la fuerza de estiramiento. La deformación extensible se considera positiva y la deformación compresiva se considera negativa. La definición del cociente de Poisson contiene un signo de menos de modo que los materiales normales tengan un cociente positivo. Sensores Resistivo Resistivos Variando la Longitud se puede medir: •Desplazamiento. •Fuerza. •Presión. Variando la resistividad se puede medir: •Temperatura. •Luz. Sensores Resistivo Propiedades de la Deformación de los Materiales Material Composición (%) Factor de Deformación Coeficiente de Resistividad de Temperatura (°C -1 – 10 -5 ) Constantan Ni 45 , Cu 55 2,1 ±2 Isoelastic Ni 36 , Cr 8 , (Mn, Si, Mo) 4 Fe 52 3,52 a 3,6 +17 Karma Ni 74 , Cr 20 , Fe 3 Cu 3 2,1 +2 Manganin Cu 84 , Mn 12 , Ni 4 0,3 a 0,47 ±2 Alloy 479 Pt 92 , W 8 3,6 a 4,4 +24 Nickel Puro -12 a -20 670 Nichrome V Ni 80 , Cr 20 2,1 a 2,63 10 Silicon Tipo p 100 a 170 70 a 700 Silicon Tipo n -100 a -140 70 a 700 Germanium Tipo p 102 Germanium Tipo n -150 Circuitos Tipo Puente El puente de Wheatstone es el circuito ideal para medir pequeños cambios en la resistencia. Los sensores tipo resistivos pueden ser conectados en una o mas armaduras de un circuito tipo puente. i v R R V 0 0 A = A Si R1/R2=R4/R3 entonces ΔVo será cero. Asumiendo inicialmente que todas las resistencias son iguales a Ro y que Ro<<Ri, un incremento en la resistencia, ΔR, de todas las resistencias resulta en un balanceo del puente. Si R1 y R3 se incrementan en ΔR, R2 y R4 se disminuyen en ΔR, entonces: Considerando Ri: ( ) ( ) ( ) | | 2 / 1 / 1 / o i o i o o R R R R v R R V A + + A = A Circuitos Tipo Puente ( ) ( )( ) o i o o i o o R R R R R R v R R V / 1 / 2 / 2 / A + + A + A = A Una relación no lineal da como resultado cuando dos brazos contiguos del circuito de puente son cambiados equitativamente Sensores Inductivo Una inductancia puede ser usada para medir desplazamiento por variación de cualquiera de los parámetros de la bobina. µ G n L 2 = medio del efectíva dad Permeabili geométrica forma de Factor bobina la de vueltas de Numero = = = µ G n Donde: Los cuales pueden ser cambiados por medios mecánicos Sensores Inductivo Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT): Los LVDT dan una señal de voltaje de salida de corriente alterna que es proporcional a un desplazamiento físico. LVDT es usado para investigación fisiológica y medicina clínica para medir la presión, el desplazamiento y fuerza Sensores Capacitivos La capacitancia entre dos placas paralelas de área “A” y separadas por una distancia “x”, Esta dada por: o dielectric aislante del relativa constante la es libre espacio del a dieléctric constante la es F/mts 10 8,8 placas las entre separación de Distancia la es x placas la de Área el es A ia. Capacitanc la es C : Donde r 12 - o 0 c c c c × = = x A C r Sensores Capacitivos Con la capacitancia se pude medir desplazamiento variando cualquiera de sus parámetros, sin embargo, el más utilizado es la variación de la distancia entre las placa, con lo cual se tiene una sensibilidad dada por: capacitivo sensor del ad sensibilid la es K donde 2 0 x C x A x C dx dC K r ÷ = ÷ = A A = = c c Un ejemplo de uso de sensor tipo capacitivo: Micrófono tipo capacitivo. Sensores para medir los movimientos respiratorios de un paciente o de los movimientos del corazón. Para medir presión. Sensores Piezoeléctricos Un material piezoeléctrico genera un potencial eléctrico cuando es sometido a una fuerza, también puede sufrir deformación si es sometido a un potencial eléctrico. Un sensor piezoeléctrico puede ser usado para medir desplazamientos fisiológicos y grabar sonidos del corazón. La carga total “q” inducida es directamente proporcional a la fuerza “f” aplicada al material: C/N en expresada rico piezoeléct material del constante la es K : Donde kf q = Sensores Piezoeléctrico La carga en voltaje puede encontrarse asumiendo que el sistema actúa parecido a un capacitor de placas paralelas, por lo que: A kf x C kf v Cv q r c c 0 = = = Amplificador Cristal x Cable El voltaje generado por un sensor piezoeléctrico puede ser amplificado para luego procesarse. Medidores de Temperatura La temperatura del cuerpo de un paciente da una información muy importante acerca del estado físico de un individuo. Esta puede medirse a través de: Termocuplas Termistores Por Radiación Por Fibra Óptica Termocuplas Sensor para medir temperatura, el cual consiste en la unión de dos cables de metales distintos, conectados a un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Según descubrimiento hecho por Seebeck en 1821, “una corriente fluye en un circuito contínuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperatura distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las uniones. Termocuplas El voltaje generado, puede expresarse con la siguiente serie: C 0 a mantenida es referencia de juntura la y Celsius grados en es T Donde ... 3 1 2 1 3 2 ° + + + = cT bT aT E La sensibilidad termoeléctrica (llamada también potencia termoeléctrica o coeficiente de Seebeck), está dado por: ... 2 + + + = = cT bT a dT dE o Termistor Los termistores son semiconductores hechos de material de cerámica y son termoresistóres con un coeficiente de temperatura bastante alto. La resistividad de los termistores semiconductor que se emplean en aplicaciones biomédicas se encuentran entre 0,1 y 100 Ω.mts. La relación empírica entre la resistencia del termistor y la temperatura absoluta en °K esta dado por: ( ) absoluta ra temperatu la es T termistor del a resistenci la es R K en estandar referencia de ra temperatu la es T K en material del constante la es : Donde t 0 )] /( [ 0 0 0 ° ° = ÷ | | TT T T t e R R Termistor El coeficiente de temperatura viene dado por: ) / (% 1 2 K T dT dR R t t ° ÷ = = | o Termometría por Radiación La base de la termometría por radiación es la conocida relación entre la temperatura de superficie de un objeto y su poder radiante. Este principio hace posible medir la temperatura de un cuerpo sin contacto físico con el. La Termografía médico es una técnica donde la distribución de temperatura del cuerpo es correlacionada con una sensibilidad de algunos décimos de grados kelvin. La termografía ha sido usada para la detección fácil del cáncer de pecho, sin embargo este método es controversial. También ha sido usado para determinar la ubicación y la extensión de los disturbios artríticos, para medir la profundidad de la destrucción de tejido de la quemadura por el frío y las quemaduras de sol, y para detectar varios trastornos circulatorios superfluos (la trombosis venosa, las oclusiones de la arteria carótida, etc.) Termometría por Radiación La radiación emitida por un cuerpo es dada por la ley de Planck y multiplicada por la emisividad. ( ) ( ) ( ) ( ) emisividad la es . en onda de longitud la es cuerpo. del ra temperatu la es . 10 44 , 1 ) / (W. 10 3,74 cuerpo. el por emitida radiación la es : Donde . / 1 4 2 2 4 4 1 2 / 5 1 2 c µ ì µ µ µ ì c ì ì ì m T K m C cm m C W m cm W e C W T C ° × = × = ÷ = Termometría por Radiación La ley de desplazamiento de Wien, da la longitud de onda para la cual la radiación emitida es máxima, esto se obtiene derivando W λ con respecto a λ e igualando a cero la derivada. ( ) m T m µ ì 2898 = La potencia de radiación total se determina por la ley de Stefan-Boltzmannn. ( ) Boltzmann - Stefan de constante . cm (W/ 10 67 , 5 : Donde 4 2 12 4 K T W t ° × = = ÷ o co Amplificadores Un amplificador de señal, es un circuito electrónico capas de magnificar señales, con la finalidad de ser procesada. Características de un Amplificador: Rango de entrada. Rango de salida Impedancia de entrada. Impedancia de salida. Ganancia. Ancho de Banda. Relación de Rechazo en Modo Común (CMRR). Relación Señal a Ruido. Filtros Su finalidad es rechazar un rango de frecuencia indeseada, y dejar pasar un rango deseado. Tipos de Filtros Paso Bajo: Permiten el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia de corte. Paso Alto: Permite el paso de frecuencia por encima de una frecuencia de corte. Pasa Banda: Permite el paso de frecuencia en una banda de frecuencia. Rechaza Banda: Rechaza el paso de frecuencia en una banda de frecuencia. Filtro Paso Bajo Filtro Paso Alto Filtro Pasa Banda Filtro Rechaza Banda Filtro Paso Bajo de Segundo Orden ( ) 2 2 2 2 c c c s s s H e e e + + = ( ) ( ) 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 1 1 C C R R s C C R R R R C s C C R R H s + + + = ( ) 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 C C R R R R C C C R R c + = = e C c f t e 2 = Filtro Paso Alto de Segundo Orden ( ) 2 2 2 2 c c s s s s H e e + + = ( ) 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1 ) ( C C R R s C C R C C s s H s + + + = ( ) 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 C C R C C C C R R c + = = e C c f t e 2 = Filtro Pasa Banda de Segundo Orden ( ) ( ) ( ) 2 1 3 2 1 2 1 2 1 3 2 1 2 1 1 1 C C R R R R R s C C R C C S s C R H s + + + + = ( ) 2 2 o w w s s B s s B H e + + = ( ) 2 1 3 2 1 1 1 1 C C R C C C R B w + = = ( ) 2 1 3 2 1 2 1 C C R R R R R o + = e ( ) CH CL o CL CH w f f f f B - = ÷ = t e t 2 2 Convertidor Analógico Digital En el mundo real las señales analógicas varían constantemente, pueden variar lentamente como la temperatura o muy rápidamente como una señal de audio. Lo que sucede con las señales analógicas es que son muy difíciles de manipular, guardar y después recuperar con exactitud Si esta información analógica se convierte a información digital, se podría manipular sin problema. La información manipulada puede volver a tomar su valor analógico si se desea con un DAC (convertidor Digital a Analógico) Convertidor Analógico Digital Convertidor Analógico Digital 1 2 ÷ = n in FS V R Resolución: Donde: R: Resolucion. V in FS: Voltaje de entrada a full escala. n: Número de Bit Se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos significativo.(LSB) Convertidor Analógico Digital Operaciones en la Conversión Analógico/Digital: Convertidor Analógico Digital Técnicas de Conversión: Convertidor Analógico Digital Convertidor Analógico Digital