Electrodos

 

Electrodos para biopotenciales: teoría electroquímica y modelos eléctricos

núcleo dedeingeniería facultades ingenieríabiomédica y medicina universidad de la república

 

Electrodos para biopotenciales: teoría electroquímica y modelos eléctricos •

  Objetivos de la clase:  – 

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  Entender el principio electro-químico funcionamiento de los electrodos

de de

biopotenciales   Dar un modelo equivalente eléctrico   Estudio cualitativo de fuentes de ruido y distorsión   En Ente tend nder er có cómo mo ut utili iliza zarr el mo mode delo lo pa para ra to toma mar  r  criterios de diseño de amplificadores de señales biológicas

 

Introducción •

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  Las corrientes generadas por biopotenciales son de origen iónico.   Los equipos de medida funcionan mediante corrientes electrónicas.

Es necesario un elemento de transducción entre corrientes iónicas y electrónicas

ELECTRODOS

 

Interfase Electrodo-Electrolito Electrolito   –   Contiene   iones iones lib libres res,, se co com mpo port rta a com como   conductor  eléctrico. Consisten de iones en solución: soluciones iónicas.

Electrodo –  Conductor  en   en contacto con parte no parte no metálica de metálica de un circuito. Ej: semiconductor semico nductor,, electrolito  electrolito,, vacío, gas, etc.

Se habla de par de par Electrodo-Electrolito cuando: Electrodo-Electrolito cuando:  El  electrolito contiene  El electrolito  contiene iones  iones del  del material del cual está construido el electrodo.

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Interfase Electrodo-Electrolito

 

Potencial Semi-Celda o “Half -cell potential” •

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  Cuando el electrodo entra en contacto con el electrolito, comienza la reacción:   La concentración local de cationes en la interfase cambia, perdiéndose la neutralidad de carga.   El electrolito en la región está a un potencial eléctrico diferente al resto: “Half -cell -cell potential”

 

Potencial Semi-Celda o “Half -cell potential” •

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  Pote Potenc ncia iall dete determ rmin ina ado por por la natu natura rale leza za del del meta tall involucrado, do, la conc oncentr trac aciión de sus iones en solución y la temperatura.

  Los Los pote potenc ncia iale les s semi semi-c -cel elda da de elec electr trod odos os se miden respecto al del electrodo de hidrógeno definido igual a cero.

 

Polarización  Al circular corriente entre el electrodo y el electrolito, el potencial semi-celda varía: 





 Sobrevoltaje ohmnico (Vr): (Vr): Es el resultado directo de la resistencia del electrolito.   Sobrepotencial de concentración (Vc) (Vc):: Resulta de los cambios en la distribución de iones en el electrolito en la vecindad de la interfase electrodo-electrolito.   Sobrevoltaje de activación (Va) (Va):: Dada por la barrera que hay que vencer para que ocurra la oxidación o reducción. Gobierna la cinética de la reacción.

 

Electrodos polarizables y no polarizables •

  Perfec Perfectam tament ente e polari polarizabl zables: es:   ning ningun una a ca carg rga a cruza la int interfas fase.   Se Se comportan como un capacitor.

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  Perfec Perfectam tament ente e no polari polarizab zables les::   la corri corrien ente te pasa pa sa lilibr brem emen ente te a tra través vés de la inte interf rfas ase, e, sin sin requerimientos de energía para llevar a cabo la transición. No transición.  No presentan sobrevoltajes.

 

Electrodo Metal/Sal-insoluble Consiste en un metal en contacto con una sal insoluble del mismo, que a su vez está en contacto con una solución, que contiene el anión de la sal. Ejem Ej empl plo: o: Ag Ag/A /AgC gCll(S)/Cl-

 

Electrodo Ag/AgCl •

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  Electrodo práctico con electrodo no polarizable. polarizable.

características

de

 Metal (Ag) cubierto con una capa delgada de un compuesto iónico (AgCl).  Toda la estructura es inmersa en un electrolito que contiene el anión (Cl-) en concentraciones altas (3,5 M).

 

Electrodo Ag/AgCl

 

Comportamiento y modelos circuitales Resultados empíricos:   No No lineales  Dependientes de frecuencia  Dependientes  Dependientes de densidad de carga  Dependientes  Componente reactiva  Componente  Componente resistiva ( > bajas frecuencias)  Componente

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Schwan(1963), Geddes(1972), Cobbold(1974), Ferris(1974)

 

Comportamiento y modelos circuitales •

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  Existe una fuente de tensión sem semi-celda. i-celda.   Salvo en bajas bajas frecuencias, el modelo se aproxima a serie de C+R.   La La C debido a la distribución di stribución de cargas en la interfase.  La R debido a la resistencia  La r esistencia del electrolito luego de la distribución de cargas.

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  A bajas frecuencias, se observa una impedancia FINITA FINIT A (en DC) DC).. Se agrega una resistencia en paralelo al C.

 

Modelo equivalente eléctrico simple

Ecell es el potencial de semi-celda Rd y Cd impedancia asociada con la interfase electrodo-electrolito Rs resistencia debido al electrolito y al alambre conector del electrodo.

 

Respuesta en frecuencia

 En electrodos Ag/AgCl descartables, la impedancia típica está en el orden de 1 k W   a 10 Hz

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 Al di dise seña ñarr un am ampl plif ific icad ador or se su suel ele e to toma marr en cuenta valores de hasta 500 kW a 10 Hz

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Interfase Electrodo-Piel •

  Existe una interfase con la piel.

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  Piel = 3 capas:  – 

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  Epidermis   Dermis   Capa subcutánea

  Epidermis – Mayor Impedancia  – 

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  Estrato córneo (células muertas)   Estrato granuloso   Estrato basal (donde nacen nuevas células) •

  Se elimina el Estrato córneo con limpieza adecuada

 

Interfase Electrodo-Piel

La impedancia de la piel varía entre: 200 kW a 1 Hz y 200 W a 1 MHz

 

Tabla de impedancias de todo el conexionado

Fuente: Treo, E  et al   -   “Efecto  del gel y limpieza en la impedancia electrodo-piel en registros de   superficie”, Congreso Argentino de

Bio-Ingeniería, Octubre 2009  

Ruido por movimiento •

  Se mueve el electrodo => Cambia distribución de cargas en interfase E-E

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  Cambia distri trib. Cargas E-E => Rui Ruido alto lto (algunos mV)   Ruido alto => Se pierde la señal de interés

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  Se pierde la señal => Chau paciente

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  Electrodos Electrodos no polarizados polarizados + Gel suficiente suficiente => reduce significativamente el Ruido por  Movimiento

 

Ruido por movimiento •

  Aumento de superficie de contacto ElectrodoElectrolito(gel)-Piel => Disminución de Ruido por Movim.

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  Electrodos de placa grandes

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  Electrodos de succión

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  Electrodos flexibles   Electrodos percutáneos

 

Tipos de electrodos

 

Tipos de electrodos

 

Tipos de electrodos

 

Ejercicios •

  Dar un sistema

modelo

equivalente eléctrico

del

PACIENTE-ELECTRODOS-Amp.ECG como el usado en la práctica 1. •

  ¿Hab ¿Habrá rá un ef efec ecto to imp impor orta tan nte en la señ seña al de

•

ECG?   ¿Qué pasa si se desea utilizar para señales de EMG (50 Hz ~ 3 kHz)?

•

  S uponienen do el u na impedade nciinstrumentación. a de entrada resistiva amplificador

¿Cómo podría lograrse una transferencia  

Ejercicios •

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  ¿Cómo variaría variaría la impedancia impedancia de un electrodo electrodo metálico a medida que se va secando el gel electrolítico de contacto?   ¿ ¿C Cómo se representa equivalente eléctrico?

en

el

modelo

  ¿Cómo afecta al CMRR del sistema?   ¿Qué ¿Qué carac caracte terí rísti stica ca de los ampli amplific ficad ador ores es de entrada minimizaría la disminución del CMRR?

 

Conceptos importantes •

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  Necesidad de transducción iónicas a electrónicas

de

corrientes

  Principio electro-químico de interfase Electrodo-Electrolito   Po Potencial de semi-celda. Definición de Potencial 0 en electrodo de Hidrógeno   Electrodos polarizables y no polarizables   Electrodo Electrodo Metal/Sal-inso Metal/Sal-insoluble luble (ej. Ag/AgCl)

  Características no lineales de la impedancia   Mode Modelo lo equiv equival alen ente te eléctr eléctric ico o simple simple (val (valor ores es

típicos)  

Referencias •

 

Webster, J - "Medical Instrumenta Instrumentation. tion. Application and design", 3ra ed, JW&S, 1998, Capítulo 5

•

 

Treo, E  et al   - “Efecto del gel y limpieza en la impedancia electrodo-piel en registros de  superficie”,   Congreso Argentino de Bio-Ingeniería, Octubre 2009