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INGENIERÍA BIOMÉDICA
JUAN F. GUERRERO MARTÍNEZ
Curso 2010- 2011
Tema 2
Bioseñales
2.1. Introducción
Una señal es un medio de transmisión de información, cuya adquisición permite obtener información sobre la fuente que la generó. En el caso de las bioseñales, las fuentes son los diferentes sistemas fisiológicos del organismo. La captación de las bioseñales permite al médico extraer información sobre el funcionamiento de los diferentes órganos para poder emitir un diagnóstico. Las medidas médicas pueden agruparse en diversas categorías : biopotenciales, mecánicas, acústicas, imágenes, impedancias, señales biomagnéticas y señales bioquímicas. En el presente capítulo se presentarán las más usuales, como base para comprender mejor la instrumentación y el procesado aplicado sobre las mismas. Los factores más importantes que caracterizan las bioseñales desde el punto de vista de la instrumentación son los rangos de amplitud y frecuencia. La siguiente tabla muestra, a título de ejemplo, un resumen de algunas de las bioseñales más usuales y sus correspondientes rangos. Dichos rangos pueden variar en función del método de adquisición, y sus valores son aproximados, considerando tanto valores normales como anormales de los parámetros listados.
2.2. Biopotenciales
Algunos tipos de células, denominadas excitables, presentan la característica de producir potenciales bioeléctricos como resultado de la actividad electroquímica de sus membranas, tales como las nerviosas, musculares y del tejido glandular. Puesto que cada tipo de célula presenta una actividad eléctrica característica, la medida de esta actividad proporciona información sobre su funcionamiento. Como las disfunciones se revelan frecuentemente en la señal bioeléctrica, se puede obtener información para el diagnóstico a partir de estos registros.
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Curso 2010- 2011 Bioseñal Definición Rango amplitud Rango frecuencia Electrocardiograma (ECG) Actividad eléctrica cardíaca 0.5 - 4 mV 0.01-250 Hz Electroencefalogra- ma (EEG) Actividad eléctrica cerebral 5 - 300 μV DC-150 Hz Electrogastrograma (EGG) Actividad eléctrica gástrica 10 μV – 1 mV DC-1 Hz Electromiograma (EMG) Actividad eléctrica muscular 0.1 – 5 mV DC-10 kHz Electroneurograma (ENG) Actividad eléctrica nerviosa 0.01 – 3 mV DC-1 kHz Electrooculograma (EOG) Potencial retina-córnea 50 - 3500 μV DC-50 Hz Electrorretinograma (ERG) Actividad eléctrica de la retina 0 - 900 μV DC-50 Hz Fonocardiograma (PCG) Sonidos cardíacos 80 dB (rango dinámico) 100 μPa (umbral) 5 - 2000 Hz Flujo sanguíneo Flujo sanguíneo 1 – 300 ml/s DC – 20 Hz Gasto cardíaco Cantidad de sangre bombeada por el corazón en unidad de tiempo
litros/minuto DC – 20 Hz pH sanguíneo Medida del pH en sangre 6.8 – 7.8 unid. pH DC – 2 Hz Plestimografía Medida de cambios de volumen Depende del órgano medido DC-30 Hz Pneumotacografía Medida del flujo respiratorio 0 - 600 litros/minuto DC-40 Hz Potencial acción Potencial característico de diferentes tipos de células 100 mV 2 kHz Potenciales evocados (EP) Respuestas cerebrales evocadas por estímulos sensoriales 0.1 - 10 μV 0.5 – 3 kHz Presión arterial Presión sanguínea arterial 10 – 400 mm Hg DC – 50 Hz Presión venosa Presión sanguínea venosa 0 – 50 mm Hg DC – 50 Hz Respuesta galvánica de la piel (GSR) Potencial generado por la actividad de las glándulas sudoríparas de la mano 1 – 500 kΩ 0.01 - 1 Hz Tabla 2.1. Rangos de algunas de las bioseñales más usuales.
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Curso 2010- 2011 Esta situación de equilibrio con diferentes concentraciones en el interior y exterior de la célula requiere un flujo de iones en ambos sentidos de acuerdo con sus respectivos gradientes de difusión. Este mecanismo de transporte activo de iones, que utiliza energía de la célula para mantenerse, se conoce como bomba de Na-K, y extrae Na+^ del interior de la célula a la vez que bombea K
desde el exterior en una proporción 3Na
: 2K
, produciendo un potencial neto intracelular negativo.
Potencial de acción
En condiciones normales (sin excitación), se mantiene una situación de equilibrio a ambos lados de la membrana con un potencial negativo en el interior de la célula (potencial de reposo). En este estado, se dice que la célula está polarizada. Al estimular la célula, la membrana cambia sus características. El estímulo puede deberse a diferentes causas. Por ejemplo, en tejidos de órganos sensoriales, los canales de las membranas celulares están conectados a receptores del tipo de energía al que son sensibles, produciendo ésta la estimulación. En el resto de membranas, la estimulación se produce por cambios en el potencial transmembrana. Por último, el estímulo puede ser externo, producido por algún tipo de estimulador artificial. El cambio de características inducido por la estimulación produce una variación de las permeabilidades a los diferentes iones que presentaba la membrana durante el potencial de reposo. Además, este cambio depende de la tensión (se requiere una amplitud mínima o umbral por debajo de la cual no se produce el cambio de estado celular) y del tiempo (las modificaciones inducidas por la estimulación en las permeabilidades revierten al cabo de un cierto tiempo a sus valores originales). Estas modificaciones afectan especialmente a las permeabilidades del Na
y K
. Tras la estimulación, al incrementarse la permeabilidad al Na
, la membrana comienza a admitir este tipo de iones. La entrada de éstos la hace a su vez más permeable, produciéndose un efecto de avalancha en el que gran cantidad de Na+^ entra en la célula, desalojando a algunos K
, pero tan sólo en una pequeña proporción. El efecto neto es que la célula queda cargada positivamente (despolarizada), a un valor de aproximadamente +20 mV. Este valor se denomina potencial de acción. Una vez alcanzado este nuevo estado de equilibrio, la membrana vuelve a impedir la entrada a nuevos iones. La evacuación de los mismos (proceso de repolarización), está asociado a la dependencia temporal de la nueva permeabilidad de la membrana, que retorna al cabo de cierto tiempo a sus características iniciales, y por tanto a las concentraciones en reposo. La duración del potencial de acción depende del tipo de célula,
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Curso 2010- 2011 yendo desde un valor en torno al milisegundo. para células musculares y nerviosas, hasta los 150-300 msg. del músculo cardíaco. La siguiente figura muestra el potencial de acción de una célula nerviosa. Los postpotenciales que aparecen al final de la fase de repolarización se corresponden con el desfase existente entre las modificaciones de las permeabilidades del Na
y K
. Figura 2.1. Potencial de acción. La activación celular sigue una ley de todo o nada, debiendo alcanzarse un valor mínimo (umbral) para que se produzca el potencial de acción. A partir de este umbral, cualquier intensidad en la excitación siempre produce el mismo efecto ya que, una vez excitada, la célula entra en una fase de inhibición absoluta, durante la cual no responde a nuevos estímulos. Esta fase, que coincide con la duración del estado alto del potencial de acción, se denomina periodo refractario absoluto (PRA). Puesto que la determinación del PRA no puede realizarse (implicaría estimular con intensidades muy grandes), la medida que realmente se da es la del periodo refractario efectivo (PRE), medido hasta aquel punto de la pendiente de repolarización en que puede dispararse un nuevo potencial de acción con un estímulo igual al doble del valor umbral. Durante la fase de repolarización, puede ser excitada pero con estímulos más intensos que en la fase de reposo. A este intervalo se le denomina periodo refractario relativo (PRR). El tiempo refractario total (TRT) sería la suma de todos ellos. La siguiente figura muestra un esquema de estas definiciones para el caso de un potencial de acción de célula cardíaca, sobre el que se ha superpuesto la curva intensidad-tiempo de estimulación. Puede observarse en dicha curva un tiempo, al final de la fase de repolarización, durante el cual puede estimularse la célula con intensidades menores que la umbral. Este tiempo, que coincide con los postpotenciales de la figura 2.1, se conoce como periodo de supernormalidad. **(mV)
0**
**- 10
- 20
- 30
- 40
- 50
- 60
- 70** Despolarización Potencial acción Repolarización Postpotenciales Potencial reposo
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Curso 2010- 2011 mielinizadas, es decir, su axón está recubierto por una sustancia (mielina) que está interrumpida a intervalos regulares (conocidos como nodos de Ranvier). Debido a que la mielina es aislante, la distribución de canales iónicos en la membrana tiende a concentrarse en los nodos de Ranvier. El hecho de estar mielinizadas reduce las corrientes de pérdidas e incrementa las características de conducción de la fibra nerviosa, mejorando la conducción en un factor de aproximadamente 20 respecto a las no mielinizadas. La conducción se produce por activación secuencial entre nodos conjuntamente con otro mecanismo denominado conducción saltatoria, producida entre nodos no adyacentes. La figura 2. muestra un esquema de este tipo de fibras. Figura 2.3. Distribución de carga en las proximidades de la región activa. La velocidad de propagación de los potenciales de acción depende del tipo de células. El periodo refractario supone un límite superior a la máxima frecuencia de activación. Los valores de velocidad oscilan entre los 20-140 m/s de fibras nerviosas y los 0.2-0.4 m/s del músculo cardíaco. En fibras de retardo especiales (como ocurre en el nodo aurículo-ventricular cardíaco), la velocidad puede bajar hasta 0.03-0.05 m/s. Por último, cuando se obtiene la señal en puntos alejados de su fuente, como ocurre en el caso de captación superficial, las características anisótropas del conductor volumétrico existente entre la fuente y el punto de obtención produce modificaciones en la la morfología de la señal. Esto hace necesaria una estandarización de las posiciones de obtención en la adquisición de biopotenciales, como se verá más adelante.
Medio externo Membrana Membrana Membrana en reposo despolarizada repolarizada Región activa AXÓN Dirección de Líneas locales Propagación de corriente Medio externo
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Curso 2010- 2011 Figura 2.4. Circuitos de corriente en fibras mielinizadas. 2.3. Medidas biomédicas Las medidas biomédicas se realizan para extraer información del funcionamiento de los distintos sistemas del organismo. En esta sección se comentan las medidas más usuales agrupadas por sistemas. En concreto, se plantean algunas de las correspondientes a los sistemas cardiovascular, respiratorio, nervioso y muscular, destacando el tipo de información que proporcionan y el método de medida utilizado. 2.3.1. Medidas en el sistema cardiovascular En el sistema cardiovascular, podemos destacar los siguientes tipos de medidas:
- Electrocardiografía: Relacionada con la captación de biopotenciales generados por el corazón. Incluye ECG, vectocardiograma, electrocardiografía de alta resolución, ECG fetal y electrocardiografía de alta frecuencia.
- Fonocardiografía: Obtención de sonidos cardíacos.
- Presión: Medida de la presión sanguínea.
- Flujo: Medida del flujo de sangre
- Gasto cardíaco: Medida de la cantidad de sangre bombeada por el corazón por unidad de tiempo.
- Plestimografía: Medida de cambios de volumen En las siguientes secciones se hará una breve revisión de estos tipos de medidas. Nodo activo + _ Axón Nodos de Mielina Ranvier
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Curso 2010- 2011 El electrocardiograma (ECG) refleja la propagación de la despolarización y repolarización eléctricas de las diversas cámaras contráctiles del corazón. El término ECG está específicamente reservado al caso de captación de la actividad con electrodos superficiales. En el caso de captación interna se denomina electrograma cardíaco. Para estudiar el ciclo cardíaco, utilizaremos el ECG como referencia temporal. Este puede dividirse en dos componentes principales, uno asociado con la propagación de la excitación y recuperación de las aurículas, y el otro con la actividad ventricular. Figura 2.6. Representación de la actividad eléctrica del corazón en diversas zonas. (Elsevier Inc). La excitación del corazón se produce por el estímulo generado en el grupo de células especializadas que constituyen el NSA. Este impulso se propaga por las aurículas hasta alcanzar la interfase aurículo-ventricular, produciéndose a la vez la contracción de las aurículas (onda P). La conducción aurículo-ventricular se realiza a través del NAV, que está formado por tejido con un tiempo de propagación aproximadamente 10 veces mayor que el del resto del corazón. Esto produce el retardo necesario para sincronizar la activación ventricular con el trasvase de sangre, y también un efecto pasa-bajo que protege a los ventrículos frente a ritmos auriculares demasiado rápidos. El impulso se propaga posteriormente por el haz de His y las fibras de Purkinje hasta contraer finalmente los ventrículos y producir el bombeo de sangre. Esta contracción ventricular, y la coincidente
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Curso 2010- 2011 relajación auricular, se representa en el complejo QRS del ECG. Posteriormente, los ventrículos se relajan (onda T). En ocasiones puede distinguirse una onda adicional (onda U) después del fin de la onda T, relacionada con la repolarización lenta del músculo ventricular. Debido a la existencia de una relación directa entre el ECG y el ciclo cardíaco, el registro del ECG se utiliza clínicamente para diagnosticar diversas patologías y condiciones asociadas con el corazón. Además sirve como referencia temporal para otras medidas. En la figura 2.7 se muestra la definición de algunos intervalos y amplitudes típicos del ECG, así como sus valores normales. Amplitudes (mV) Duraciones (msg) Onda P 0.25 Intervalo P-R 120 - 200 Onda R 1.6 Intervalo Q-T 350 - 440 Onda T 0.1 – 0.5 Segmento S-T 50 – 150 Onda P 110 Intervalo QRS 90 Figura 2.7. Parámetros características del ECG. Las corrientes iónicas, debidas a los potenciales de acción asociados a la actividad cardíaca, circulan por el tórax produciendo una distribución de potenciales que, en primera aproximación, es similar a la debida a un dipolo de corriente situado en el hipotético centro eléctrico del corazón. La dirección y magnitud de dicho dipolo va cambiando a lo largo del ciclo cardíaco. Su momento dipolar constituye el denominado vector cardíaco. Onda R R Onda T Onda P T P Q S Q S P QT PQ QRS ST T
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Curso 2010- 2011 punto común, permite obtener en éste un promedio de los tres potenciales, y constituye el denominado terminal central de Wilson. La medida entre cada uno de los electrodos y este terminal forma las denominadas derivaciones unipolares aumentadas aVL, aVR y aVF. Por último, otras seis derivaciones se obtienen entre el terminal central de Wilson y algunos puntos del tórax, denominándose derivaciones precordiales. Las siguientes figuras muestran el esquema de derivaciones estándar y las formas de onda normales obtenidas en cada una de ellas. Figura 2.10. Electrocardiogramas estándar. ( A. Cohen. "Biomedical Signal Processing ". CRC Press.) El estudio del ECG permite identificar patologías a partir de cambios en la morfología de la señal. Otro tipo de patologías están asociadas al ritmo cardíaco, es decir, variaciones en el número de pulsos por minuto a que late el corazón. El ritmo cardíaco es un proceso aleatorio, estimado usualmente por el intervalo R-R. Durante el sueño, el ritmo cardíaco desciende (bradicardia), acelerándose (taquicardia) durante el ejercicio, el estrés emocional o el estado de fiebre. Los desórdenes del ritmo (arrítmias) pueden deberse a distintas condiciones anormales. A veces, una porción del miocardio produce una descarga eléctrica de forma independiente causando un pulso cardíaco que no sigue la secuencia normal del NSA (PVC: extrasístole ectópica o contracción ventricular prematura). Cuando las activaciones independientes continúan, el corazón puede entrar en una fibrilación auricular o ventricular. A veces, la causa de estos fenómenos es un bloqueo en las vías normales de conducción del corazón (el haz de His o las fibras de Purkinje, por ejemplo). La figura 2.11 muestra ejemplos de diferentes patologías.
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Curso 2010- 2011 Figura 2.11. Electrocardiogramas patológicos.
Vectocardiografía
La electrocardiografía produce información escalar sobre el vector cardíaco. La vectocardiografía analiza su evolución durante el ciclo cardíaco. Para ello se emplea el sistema de derivaciones ortogonales definido por Frank. La información que se presenta es la proyección del extremo del vector cardíaco en los planos sagital (Y-Z), frontal (X-Y) y transversal (X-Z). A lo largo del ciclo cardíaco, las figuras que se obtienen son tres anillos irregulares en cada plano, que corresponden a las ondas P, QRS y T. Los parámetros medidos son las áreas de cada anillo (con sus sentidos de giro). La vectocardiografía proporciona información adicional a la del ECG convencional aunque, debido a la complejidad de su interpretación, suele utilizarse de forma más restringida en algunos estudios clínicos o en investigación.
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Curso 2010- 2011 suele usarse promediado de señal para mejorar la relación señal-ruido. El estudio del HRECG promediado se realiza tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia, mediante un registro simultáneo de las tres componentes X-Y-Z del vector cardíaco. Figura 2.13. HRECG para la detección de postpotenciales del QRS. A: ECG estándar en derivaciones X, Y, Z. B: señal promediada (200 pulsos) con frecuencia de muestreo 10 veces mayor que en A. C: señal B filtrada (fc=40Hz). D: módulo del vector cardíaco. ( J. Bronzino Ed. "The Biomedical Engineering Handbook". CRC Press ). La principal limitación de la técnica de promediado de señal es la imposibilidad de detectar cambios dinámicos latido a latido, como ocurre algunas veces con los postpotenciales comentados anteriormente. Esto ha dado origen a otra rama de la HRECG, paralela a la técnica de promediación, y que suele denominarse HRECG pulso a pulso, utilizando técnicas de procesado más potentes para obtener un registro basado en pulsos individuales.
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Electrocardiografía fetal (FECG)
El ECG fetal se obtiene mediante técnicas no invasivas con electrodos de superficie sobre el abdomen materno. El principal problema son las interferencias del EMG y ECG materno sobre el del feto, de mucha menor amplitud. Se han utilizado métodos de filtrado adaptativo y cancelación de patrones para mejorar la relación señal- ruido. Figura 2.14. Ejemplo de registro de ECG fetal. a) Canal torácico con ECG materno. b) Canal abdominal en el que puede observarse el ECG fetal (F) con interferencia materna de gran amplitud.
Electrocardiografía de alta frecuencia
En el ECG convencional, el ancho de banda estándar está comprendido entre 0. y 100 Hz. Se puede obtener información adicional filtrando pasa-banda el margen de 100 - 1000 Hz, adquiriéndose ondas conocidas como notches y slurs superpuestas al complejo QRS que pueden indicar incoherencias en el proceso de activación ventricular. b) a) F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F
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Curso 2010- 2011 ventrículos. El cuarto coincide con la contracción de las aurículas. La relación temporal de todos ellos con otros eventos cardíacos se muestra en la figura. En caso de insuficiencias y estenosis valvulares (estrechamiento anormal de las válvulas arteriales), se producen sonidos de mayor frecuencia (hasta 2 kHz), denominados murmullos. Por esta razón, un análisis espectral de los tonos cardíacos puede proporcionar un diagnóstico útil para detectar determinadas patologías.
Medida de la presión sanguínea
El ECG proporciona información sobre la actividad eléctrica del corazón, pero no sobre su actividad mecánica. Por ello se hace necesaria la medida de la presión sanguínea, lo que permite detectar patologías como insuficiencias valvulares o estados generales de hipo o hipertensión. Los márgenes de presión son 10-400 mm Hg (presión arterial) y 0-50 mm Hg (presión venosa). El ancho de banda en el hombre es DC-50 Hz. Podemos clasificar las técnicas de medida según se trate de medidas directas (que requieren cateterismo) o indirectas:
- Métodos directos: Son todos invasivos, y existen tres técnicas: 1) emplear un catéter y un transductor extravascular; 2) catéter con transductor intravascular; 2) transductor implantado y utilización de telemetría.
- Métodos indirectos: Tienen la ventaja de no ser invasivos, pero son subjetivos en la interpretación, y no permiten obtener fácilmente la forma de onda de la presión. Suelen basarse en el empleo de un esfigmomanómetro. La figura 2.16 muestra el funcionamiento de este método. Se ocluye una arteria con un brazalete lleno de aire a presión, hasta que se supera la presión sistólica. A continuación se reduce la presión lentamente hasta que empieza a circular la sangre de nuevo. En este momento se habrá igualado la presión del brazalete a la sistólica. Se sigue reduciendo la presión hasta que no hay oclusión, momento en que se alcanza la diastólica. Para evitar errores hidrostáticos, el brazalete debe colocarse a la altura del corazón. Se necesita, pues, una medida de presión en el brazalete (manómetro de columna de mercurio) y una detección del sonido de circulación de la sangre (sonidos de Korotkoff: utilización de estetoscopio o micrófono piezoeléctrico).
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Curso 2010- 2011 Figura 2.16. Medida de presión sanguínea mediante esfigmomanómetro. ( J. Webster Ed. "Medical Instrumentation,. Application and Design.". Wiley ).
Medida del flujo sanguíneo
La presencia de obstrucciones o la vasoconstricción pueden hacer que la velocidad de la sangre sea totalmente distinta en diferentes casos, a pesar de tener una misma onda de presión. Interesa, pues, poder determinar el flujo sanguíneo directamente. Los sistemas de medida del flujo sanguíneo (caudalímetros) se pueden agrupar en 3 tipos: electromagnéticos, ultrasónicos y basados en convección térmica.
Medida del gasto cardíaco
El gasto cardíaco es la cantidad de sangre bombeada por el corazón en un tiempo determinado. Su medida permite evaluar el rendimiento de la acción de bombeo del corazón. El método de dilución de indicadores, se basa en la medida de la variación de la concentración de un indicador (fluido añadido a la sangre). Se inyecta este indicador en el caudal sanguíneo y debido a la circulación se observa una disminución del mismo con el tiempo en un punto determinado. La rapidez de esta variación está relacionada con el
