Transcript Instrumentación Biomédica. Sistemas de Adquisición.

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- Ing. Walter Gómez -
INSTRUMENTACION
BIOMEDICA
Sistemas de
Adquisición
Ing. Walter Gómez
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- Ing. Walter Gómez -
CAMPOS DE APLICACIONES DE
LA INSTRUMENTACIÓN BIOMEDICA
•Bioinstrumentación
•Biomateriales
•Biomecánica
•Bioseñales
•Biosistemas
•Biotransporte
•Ingeniería Celular
•Ingeniería Clínica
•Nanoingeniería
•Ingeniería en Reabilitación
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AREAS DE TRABAJO
•Agricultura
•Botánica
•Genetica
•Medicina
•Microbiología
•Farmacología
•Veterinaria
•Zoología
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ENTRONOS LABORALES.
•Industria
•Gobierno
•Instituciones Médicas
•R & D Académico
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- Ing. Walter Gómez -
Metodología de Trabajo
Problem
statement
Review
prior work
State
hypothesis
Perform
experiments
Design further
experiments
More
experiments
necessary
Analyze
data
Final
conclusions
Problem
solved
METODO CIENTIFICO: una hipótesis debe ser validada por medio
de experimentos y/o test.
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SISTEMA DE MEDICION COMPLETO TIPICO
Se utilizan sensores para medir las variables, se procesan las señales y
se muestran, se puede obtener realimentación para los actuadores
Outputs
Measurand
Sensor
Signal
conditioning
Feedback
Effector
Signal
processing
Data
storage
Data
displays
Data
communication
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Cerrar el Lazo…?
Por ahora no….
Patient
Patient
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Instrument
Instrument
Clinician
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VALORES CARACTERISTICOS DE LAS SEÑALES
CORPORALES HUMANAS
Measurement
Range
Frequency, Hz
Method
Blood flow
1 to 300 mL/s
0 to 20
Electromagnetic or ultrasonic
Blood pressure
0 to 400 mmHg
0 to 50
Cuff or strain gage
Cardiac output
4 to 25 L/min
0 to 20
Fick, dye dilution
Electrocardiography
0.5 to 4 mV
0.05 to 150
Skin electrodes
Electroencephalography
5 to 300  V
0.5 to 150
Scalp electrodes
Electromyography
0.1 to 5 mV
0 to 10000
Needle electrodes
Electroretinography
0 to 900  V
0 to 50
Contact lens electrodes
pH
3 to 13 pH units
0 to 1
pH electrode
pCO2
40 to 100 mmHg
0 to 2
pCO2 electrode
pO2
30 to 100 mmHg
0 to 2
pO2 electrode
Pneumotachography
0 to 600 L/min
0 to 40
Pneumotachometer
Respiratory rate
2 to 50
breaths/min
0.1 to 10
Impedance
Temperature
32 to 40 °C
0 to 0.1
Thermistor
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EN BASE A LA SEÑAL A MEDIR ……… SE ELIGEN LOS
ELEMENTOS SENSORES MAS ADECUADOS.
Ej: Medición de Presión sanguínea.
Características de un sensor para dicho rango.
Specification
Value
Pressure range
–30 to +300 mmHg
Overpressure without damage
–400 to +4000 mmHg
Maximum unbalance
±75 mmHg
Linearity and hysteresis
± 2% of reading or ± 1 mmHg
Risk current at 120 V
10 A
Defibrillator withstand
360 J into 50 
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EN BASE A LA SEÑAL A MEDIR ……… SE ELIGEN LOS
ELEMENTOS SENSORES MAS ADECUADOS.
Ej: Medición de ECG.
Características de un amplificador para ECG.
Specification
Value
Input signal dynamic range
±5 mV
Dc offset voltage
±300 mV
Slew rate
320 mV/s
Frequency response
0.05 to 150 Hz
Input impedance at 10 Hz
2.5 M
Dc lead current
0.1 A
Return time after lead switch
1s
Overload voltage without damage
5000 V
Risk current at 120 V
10 A
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
HISTERESIS
Sensor
signal
Measurand
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Baja sensibilidad – sensor con poca ganancia.
(b) Alta sensibilidad – sensor con alta gananacia.
Sensor
signal
Sensor
signal
Measurand
(a)
Measurand
(b)
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Señales analógicas, pueden tener cualquier amplitud.
Amplitude
(b) Señales digitales, está limitado el número de valores de amplitud.
Amplitude
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Time
(a)
Time
(b)
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) La señal de entrada sobrepasa el rango dinámico de la instrumentación.
(b) La señal amplificada resulta saturada y se distorsiona.
Amplitude
5 mV
(a)
Time
-5 mV
Amplitude
1V
(b)
Time
-1 V
Dynamic
Range
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Señal de entrada sin DC OFFSET – continua superpuesta .
(b) Señal de entrada con DC OFFSET – corrimiento por contínua adicionada.
Amplitude
(a)
Time
Amplitude
(b)
Dc offset
Time
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
Respuesta en Frecuencia.
Ej: ECG
1.0
Amplitude
0.1
0.05 Hz
150 Hz
Frequency
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Sistema Lineal responde a la ecuación y = mx + b.
(b) Sistema no lineal
Output
Output
Input
(a)
Input
(b)
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Una señal contínua tiene valores a cada instante de tiempo.
Amplitude
(b) Una señal discreta ha sido muestreada a lo largo del tiempo y no tiene
valores entre los datos muestreados.
Amplitude
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Time
(a)
Time
(b)
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a) Señal sin ruido.
(b) La interferencia superpuesta produce errores. Sistemas de filtrado
reducen el ruido y la interferencia.
(a)
(b)
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a)
(b)
Los datos puden ser:
(a) Con baja precisión
(b) Con alta precisión.
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CARACTERISTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS
(a)
(b)
Los datos pueden ser:
(a) Con baja representación
(b) Con alta representación.
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Formas de medición
Instrumentación Básica
Galvanometer
Galvanometer
Rp
(a)
Rs
(b)
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Formas de medición - Instrumentación Básica
I1
I2
+
R1
-
R1
b
a
R3
Rx
Circuito puente de Wheatstone
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- Ing. Walter Gómez -
Formas de medición - Instrumentación Básica
R1
i
v1
i
Rf
R1
v2
-
Ri
A
+
vi
R2
vo
-
v3
A
v3
+
R2
(a)
Amplificador Inversor
Amplificador diferencial
vo
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- Ing. Walter Gómez -
Formas de medición - Instrumentación Básica
Rs
+
R1
R2
+
vd / 2
-
A
+
vd / 2
vc
-
+
R1
Rs
+
R2
Amplificador Diferencial de Instrumentación
vo
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ANCHO DE BANDA
Diferentes rangos, segun op amp gain ideal, con ganancia a lazo abierto y
la del circuito
Circuit bandwidth
Gain
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Ideal
gain
Typical open
loop gain
Circuit gain of 10
10
1
100
104
102
Frequency (Hz)
106
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FILTROS
a.- Pasa bajo
b.- Pasa alto
T(f)
T(f)
1.0
1.0
0.1
0.1
0.01
1
fc 10
(a)
100 f
0.01
1
10 fc
(b)
100 f
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FILTROS
a.- Pasabanda
b.- Eliminabanda
T(f)
T(f)
1.0
1.0
0.1
0.1
0.01
1
f1 10
(a)
f2
100 f
0.01
1
f1
10
(b)
f2
100 f
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SISTEMA DE ADQUISICION
Diagrama de un sistema microcontrolador
Bus (address, data, control signal)
ROM
RAM
CPU
I/O