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7/27/2019 Electromedicina. Unidad II.
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD Dr. RAFAEL BELLOSO CHACIN
FACULTAD DE INGENIERIA
ELECTROMEDICINA
Unidad IIProcesamiento de Seales en Bioingeniera
Prof: Ing. Jos Orozco. M.Sc.C.I. 11871532
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Seales Biopotenciales
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Procesamiento Digital de Seales
Tcnica empleada para transformar seales de fuentes del
mundo real, por lo general analgicas, en datos digitales para su
posterior anlisis.
Principalmente cuenta con Amplificadores, Filtros y
Convertidores Analgicos/Digitales.
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SENSORES PARA
INSTRUMENTACION
BIOMEDICA
Sensor:
Traductor:
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Clasificacin
de losSensores:
De acuerdo a la Naturaleza de la Medicin: Desplazamiento (Velocidad,
Aceleracin y Fuerza). Presin, Flujo. Biopotenciales. Temperatura. Dimensin, Deformacin.
De acuerdo al Mtodo de Conversin deVariable:
Resistivo. Inductivo. Capacitivo. Piezoelctrico. ptico.
Galvnico.
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Sensores de Desplazamiento, Fuerza,
Presin
Miden variaciones de tamao, forma yposicin.Estos pueder ser:
Resistivos. Inductivos. Capacitivos.
Piezoelctricos.
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Sensores Resistivo
Medidor de Deformacin:
Cuando un cable fino es tensado dentro de sus
limites de elasticidad, la resistencia del cablecambia a causa de los cambios en el dimetro, lalongitud y la resistividad.
El Resultado del medidor de deformacin puedeser usado para medir desplazamientosextremadamente pequeos, en el orden de losnanmetros.
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L
A
E
l.TransversaSeccinladerea:A
Conductor.delLongitud:L
ad.Resistibid:a.Resistenci:
A
L
R
R
Sensores Resistivo
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A
dLLdAA
A
dLdR
2
d
A
dA
L
dL
R
dR
Sensores Resistivo
Tomando la derivada de R con Respecto a L, A y :
Sacando la relacin dR/R:
Considerando la relacin de Poisson , que relaciona los cambiosde diametro a cambio en la longitud:
L
dL
D
dD
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Sensores Resistivo
Tomando en cuenta que el rea de la seccin transversal del
cable esta dado por:
4
2DA
4
2 dDdA
D
dD
A
dA2
Por lo tanto
L
dL
A
dA2
L
L
R
R)21(
Efecto
Dimensional
Efecto
Piezoresistivo
El factor de deformacin esta dado por:
LdL
d
LdL
RdRG
/
/21
/
/
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Relacin de Poisson:
El coeficiente de Poisson es el cociente de la tensintransversal de la contraccin a la tensin longitudinal de laextensin en la direccin de la fuerza de estiramiento. Ladeformacin extensible se considera positiva y la deformacin
compresiva se considera negativa. La definicin del cociente dePoisson contiene un signo de menos de modo que los materialesnormales tengan un cociente positivo.
Sensores Resistivo
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Resistivos
Variando la Longitud se puede medir:Desplazamiento.Fuerza.Presin.
Variando la resistividad se puede medir:Temperatura.Luz.
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Sensores Resistivo
Propiedades de la Deformacin de los MaterialesMaterial Composicin (%) Factor de Deformacin Coeficiente de Resistividad
de Temperatura (C-1 10-5)
Constantan Ni45, Cu55 2,1 2
Isoelastic Ni36, Cr8,
(Mn, Si, Mo)4
Fe52
3,52 a 3,6 +17
Karma Ni74, Cr20, Fe3
Cu3
2,1 +2
Manganin Cu84, Mn12, Ni4 0,3 a 0,47 2
Alloy 479 Pt92, W8 3,6 a 4,4 +24
Nickel Puro -12 a -20 670
Nichrome V Ni80, Cr20 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
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Circuitos Tipo Puente
El puente de Wheatstone es elcircuito ideal para medir pequeoscambios en la resistencia.
Los sensores tipo resistivospueden ser conectados en una omas armaduras de un circuito tipopuente.
iv
R
RV
0
0
Si R1/R2=R4/R3 entonces Voser cero. Asumiendo inicialmenteque todas las resistencias son
iguales a Ro y que Ro
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Circuitos Tipo Puente
oioo
io
o
RRRRRR
vRRV
/1/2/2
/
Una relacin no lineal da como resultadocuando dos brazos contiguos del circuito depuente son cambiados equitativamente
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Sensores Inductivo
Una inductancia puedeser usada para medirdesplazamiento porvariacin de cualquiera delos parmetros de la
bobina.
GnL 2
mediodelefectvadadPermeabili
geomtricaformadeFactor
bobinaladevueltasdeNumero
G
n
Donde:
Los cuales pueden ser cambiados por medios mecnicos
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Sensores Inductivo
Transformador Diferencial de Variacin Lineal (LVDT):
Los LVDT dan una seal de voltaje de salida de corrientealterna que es proporcional a un desplazamiento fsico.
LVDT es usado para investigacin fisiolgica y medicinaclnica para medir la presin, el desplazamiento y fuerza
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Sensores Capacitivos
La capacitancia entre dos placas paralelas de rea A yseparadas por una distancia x,
Esta dada por:
odielectricaislantedelrelativaconstantelaes
libreespaciodeladielctricconstantelaesF/mts108,8
placaslasentreseparacindeDistancialaesx
placasladereaelesA
ia.CapacitanclaesC
:Donde
r
12-o
0
x
AC r
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Sensores Capacitivos
Con la capacitancia se pude medir desplazamiento variandocualquiera de sus parmetros, sin embargo, el ms utilizado esla variacin de la distancia entre las placa, con lo cual se tieneuna sensibilidad dada por:
capacitivosensordeladsensibilidlaesKdonde
20 x
C
x
A
x
C
dx
dCK r
Un ejemplo de uso de sensor tipo capacitivo:
Micrfono tipo capacitivo.Sensores para medir los movimientos
respiratorios de un paciente o de losmovimientos del corazn.Para medir presin.
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Sensores Piezoelctricos
Un material piezoelctrico genera un potencial elctricocuando es sometido a una fuerza, tambin puede sufrirdeformacin si es sometido a un potencial elctrico.
Un sensor piezoelctrico puede ser usado para medirdesplazamientos fisiolgicos y grabar sonidos del corazn.
La carga total q inducida es directamente proporcional a lafuerza f aplicada al material:
C/NenexpresadaricopiezoelctmaterialdelconstantelaesK
:Donde
kfq
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Sensores Piezoelctrico
La carga en voltaje puede encontrarse asumiendo que el sistema
acta parecido a un capacitor de placas paralelas, por lo que:
A
kfx
C
kfv
Cvq
r
0
Amplificador
Cristal
xCable
El voltaje generado por un sensor piezoelctrico puede seramplificado para luego procesarse.
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Medidores de Temperatura
La temperatura del cuerpo de un paciente da una informacin
muy importante acerca del estado fsico de un individuo.Esta puede medirse a travs de:
Termocuplas
Termistores
Por Radiacin
Por Fibra ptica
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Termocuplas
Sensor para medir temperatura, el cual consiste en la unin dedos cables de metales distintos, conectados a un extremo donde
se produce un pequeo voltaje asociado a una temperatura.Segn descubrimiento hecho por Seebeck en 1821, una
corriente fluye en un circuito contnuo de dos alambres dedistintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran atemperatura distintas. La corriente ser proporcional a ladiferencia de temperatura entre las uniones.
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Termocuplas
El voltaje generado, puede expresarse con la siguiente serie:
C0amantenidaesreferenciadejunturalayCelsiusgradosenesTDonde
...3
1
2
1 32
cTbTaTE
La sensibilidad termoelctrica (llamada tambin potenciatermoelctrica o coeficiente de Seebeck), est dado por:
...2 cTbTa
dT
dE
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Termistor
Los termistores son semiconductores hechos de material decermica y son termoresistres con un coeficiente detemperatura bastante alto.
La resistividad de los termistores semiconductor que seemplean en aplicaciones biomdicas se encuentran entre 0,1 y100 .mts.
La relacin emprica entre la resistencia del termistor y latemperatura absoluta en K esta dado por:
absolutaratemperatulaesT
termistordelaresistencilaesR
KenestandarreferenciaderatemperatulaesT
Kenmaterialdelconstantelaes
:Donde
t
0
)]/([
000
TTTT
teRR
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Termistor
El coeficiente de temperatura viene dado por:
)/(%1
2K
TdT
dR
R
t
t
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Termometra por Radiacin
La base de la termometra por radiacin es la conocidarelacin entre la temperatura de superficie de un objeto y supoder radiante.
Este principio hace posible medir la temperatura de un cuerposin contacto fsico con el.
La Termografa mdico es una tcnica donde la distribucin de
temperatura del cuerpo es correlacionada con una sensibilidad dealgunos dcimos de grados kelvin.La termografa ha sido usada para la deteccin fcil del cncer
de pecho, sin embargo este mtodo es controversial. Tambin hasido usado para determinar la ubicacin y la extensin de losdisturbios artrticos, para medir la profundidad de la destruccin
de tejido de la quemadura por el fro y las quemaduras de sol, ypara detectar varios trastornos circulatorios superfluos (latrombosis venosa, las oclusiones de la arteria cartida, etc.)
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Termometra por Radiacin
La radiacin emitida por un cuerpo es dada por la ley de
Planck y multiplicada por la emisividad.
emisividadlaes
.enondadelongitudlaes
cuerpo.delratemperatulaes
.1044,1
)/(W.103,74
cuerpo.elporemitidaradiacinlaes
:Donde
./1
4
2
244
1
2
/5
1
2
m
T
KmC
cmmC
W
mcmWe
CW
TC
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Termometra por Radiacin
La ley de desplazamiento de Wien, da la longitud de onda
para la cual la radiacin emitida es mxima, esto se obtienederivando W con respecto a e igualando a cero la derivada.
mT
m 2898
La potencia de radiacin total se determina por la ley deStefan-Boltzmannn.
Boltzmann-Stefandeconstante.cm(W/1067,5:Donde
4212
4
K
TWt
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Amplificadores
Un amplificador de seal, es un circuito electrnico capas de magnificar seales,
con la finalidad de ser procesada.
Caractersticas de un Amplificador:
Rango de entrada.
Rango de salida
Impedancia de entrada.
Impedancia de salida.
Ganancia.
Ancho de Banda.
Relacin de Rechazo en Modo Comn (CMRR).Relacin Seal a Ruido.
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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 defrecuencia.
Rechaza Banda: Rechaza el paso de frecuencia en una banda de
frecuencia.
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Filtro Paso Bajo
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Filtro Paso Alto
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Filtro Pasa Banda
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Filtro Rechaza Banda
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Filtro Paso Bajo de Segundo Orden
22
2
2 cc
cs
ssH
21212121
2122
2121
1
1
CCRRs
CCRR
RRCs
CCRRH
s
2121
212
2121 2
1
CCRR
RRC
CCRRc
Cc
f 2
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Filtro Paso Alto de Segundo Orden
22
2
2 ccs
ss
sH
2121212
212
2
1)(
CCRRs
CCR
CCs
sHs
212
21
2121 2
1
CCR
CC
CCRRc
Cc f 2
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Filtro Pasa Banda de Segundo Orden
21321
21
213
212
11
1
CCRRR
RRs
CCR
CCS
sCR
Hs
22
ow
ws
sBs
sBH
213
21
11
1
CCR
CC
CRBw
21321
21
CCRRR
RRo
CHCLo
CLCHw
ff
ffB
2
2
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Convertidor Analgico Digital
En el mundo real las seales analgicas varan
constantemente, pueden variar lentamente como la temperatura o
muy rpidamente como una seal de audio. Lo que sucede con las
seales analgicas es que son muy difciles de manipular, guardar
y despus recuperar con exactitud
Si esta informacin analgica se convierte a informacin digital,se podra manipular sin problema. La informacin manipulada
puede volver a tomar su valor analgico si se desea con un DAC
(convertidor Digital a Analgico)
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Convertidor Analgico Digital
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Convertidor Analgico Digital
12
n
inFSVR
Resolucin:
Donde:R: Resolucion.
VinFS: Voltaje de entrada a full escala.
n: Nmero de Bit
Se entiende como el voltaje necesario (seal analgica) para lograr
que en la salida (seal digital) haya un cambio del bit menos
significativo.(LSB)
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Convertidor Analgico Digital
Operaciones en la Conversin Analgico/Digital:
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Convertidor Analgico Digital
Tcnicas de Conversin:
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Convertidor Analgico Digital
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Convertidor Analgico Digital