Electrodo capacitivo de alta sensibilidad para la detección de biopotenciales eléctricos

Capacitive Electrode with High Sensitivity for Detection of Electrical Biopotentials

J.L. Varela-Benítez, J.O. Rivera-Delgado, J.H. Espina-Hernández, J.M. de la Rosa-Vázquez

Laboratorio de Electromagnetismo Aplicado ESIME-SEPI, Zacatenco. Instituto Politécnico Nacional.

Correspondencia:
J.L. Varela-Benítez
Av. Luis Enrique Erro S/N, Unidad Profesional Adolfo López
Mateos, Zacatenco, Delegación Gustavo A. Madero, C.P. 07738,
México, D.F. IPN, ESIME-SEPI, Zacatenco, Edif. Z-4
Correo electrónico: jlvarel@hotmail.com; jbvarela@esimez.mx

Fecha de recepción: 25 de marzo de 2015.
Fecha de aceptación: 13 de mayo de 2015.

Resumen

En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un electrodo capacitivo de no contacto para la detección de biopotenciales en el cuerpo humano. Se presentan los circuitos eléctricos, el criterio de selección del amplificador operacional en base al análisis de la resistencia óptima de ruido, se describe el montaje físico, se presentan las señales obtenidas con este y la evaluación de su desempeño en base a la relación señal a ruido S/N. Se muestra el desempeño de diversos amplificadores operacionales y se demuestra la versatilidad del electrodo para detectar diversos biopotenciales realizando ajustes en los valores de dos componentes eléctricos del electrodo.

Palabras clave: electrodos capacitivos, biopotenciales, ECG, EMG.

Abstract

In this work the design and implementation of a capacitive non-contact electrode for detecting biopotentials in the human body is presented. Electrical circuits, the selection criteria of the operational amplifier based on the analysis of the optimal noise resistance are presented, the physical assembly is described and the signals obtained and evaluation of its performance are presented based on the signal-to-noise ratio S/N. We show the performance of several operational amplifiers and it is shown the versatility of the electrode to detect several biopotentials making adjustments to the values of two electrical components of the electrode.

Keywords: capacitive electrodes, biopotentials, ECG, EMG.

INTRODUCCIÓN

En un trabajo previo se presentó el desarrollo de un electrodo capacitivo [2,4], al cual llamaremos electrodo 1, y se demostró que es posible la detección de diversos biopotenciales como son: el electrocardiograma (ECG), el electromiograma (EMG), y el electroencefalograma (EEG), al ajustar los parámetros de ganancia y respuesta en frecuencia de los electrodos. El circuito electrónico del electrodo 1 contiene pocos componentes y en apariencia su diseño es simple, pero este debe amplificar señales muy débiles y lograr bajos niveles de ruido en las señales amplificadas. Además se debe preservar la ultra alta impedancia de entrada del amplificador ya que el sensor tiene muy baja capacitancia (pF), por lo que su impedancia es muy alta (ver Tabla 1) y de degradarse la impedancia de entrada del amplificador, se perdería el biopotencial por efecto de desacople de impedancias. Lo anterior se logra utilizando la configuración del amplificador como seguidor de voltaje y la técnica de guarda activa [3] para disminuir las capacitancias parásitas que se encuentran presentes en la terminal de entrada del amplificador y que tienden a degradar su impedancia de entrada. En el electrodo desarrollado en [3], además de la técnica de guarda activa, se utiliza la técnica de neutralización para disminuir las capacitancias parásitas a la entrada del amplificador. Otro problema surge al tener que polarizar la entrada del amplificador la cual requiere de una corriente de CD de valor muy pequeño (decenas de fA), típico en amplificadores de tipo electrométrico, la cual se logra conectando entre la terminal de entrada y tierra una resistencia de muy alto valor (TΩ), la cual es difícil de conseguir como dispositivo, pero que se puede obtener por el diseño del circuito impreso (C.I.), en el cual se utiliza la corriente de fuga de aislamiento entre la terminal de entrada del amplificador y el plano de tierra del C.I. [3]. En el desarrollo del electrodo 1 [2,4] se utilizó esta técnica obteniendo resultados favorables. Otro problema surge debido a que el biopotencial detectado se ve afectado por interferencias electromagnéticas de fuentes externas, principalmente las provenientes de la línea de alimentación de 60 Hz, las cuales se minimizan aplicando la técnica de derivación de pierna derecha (DRL, por sus siglas en inglés). Esta técnica consiste en retroalimentar negativamente la señal de modo común, que aparece en la señal de salida de los electrodos, al cuerpo del individuo. En el electrodo 1 [2,4] se implementó un electrodo activo de referencia para minimizar la interferencia de la línea de alimentación. En el electrodo reportado en [3], además de utilizar esta técnica se le adiciona al electrodo un blindaje conectado a tierra. El desempeño del electrodo, respecto de los problemas mencionados, mejora al aumentar el valor de la capacitancia del sensor, pero esto implica un sensor de mayor tamaño así como un material dieléctrico muy delgado y con alto valor de permitividad eléctrica. El tamaño del electrodo está limitado por el área del cuerpo donde se debe colocar este y la permitividad del dieléctrico por los materiales comerciales existentes, lo cual también tiene limitaciones.

En este trabajo se presenta el diseño y desarrollo de un electrodo capacitivo, al cual llamaremos electrodo 2, que mejora el desempeño del electrodo 1, desarrollado previamente [2,4]. Se discuten las mejoras realizadas al electrodo, se presentan los parámetros de desempeño del mismo y se comparan las señales de biopotenciales obtenidas con los dos electrodos.

Esquema de medición de biopotenciales

Los biopotenciales en el cuerpo humano son generados por los procesos bioquímicos involucrados en el funcionamiento de las células. Esta actividad bioquímica se manifiesta como campos eléctricos que se propagan en todas direcciones dentro del cuerpo hasta manifestarse en la piel. Estos procesos de generación y propagación de los campos eléctricos son muy complejos, pero se pueden utilizar modelos eléctricos simples obteniendo resultados aceptables. El modelo eléctrico de la piel consiste en una fuente de voltaje en serie con un circuito paralelo R-C [1]. La fuente de voltaje representa la señal eléctrica (biopotencial) que se desea medir y el circuito R-C la impedancia de la piel. La figura 1 muestra el modelo eléctrico equivalente de la interfase piel-electrodo, utilizado para el diseño del electrodo capacitivo [4].

Sensor capacitivo

El sensor capacitivo (Cs) consiste de una placa metálica recubierta por un material aislante, la cual al colocarse sobre la piel forma un capacitor donde la otra placa es el tejido subcutáneo donde se manifiestan los procesos bioeléctricos, los cuales inducen cargas en la placa metálica del sensor y con esto se genera un biopotencial eléctrico. Este sensor se construye con una tarjeta comercial para fabricación de circuito impreso (PCB) de doble ESl material aislante es un polímero tipo barniz que es utilizado comúnmente como máscara antisoldante en los circuitos impresos. En la frontal se tiene la placa sensora y un anillo de guarda, y la cara posterior se tiene completamente metalizada para garantizar la preservación de la impedancia de entrada del amplificador [4], dejando tan solo el espacio para la terminal de conexión de Cs al circuito amplificador (ver Figura 1 del Anexo).

Circuito electrónico

La señal captada por el sensor es de magnitud muy pequeña, en el orden de los μV [1], por lo que debe ser amplificada para su análisis. Debido al valor de la capacitancia del sensor (1 nF en el mejor de los casos) [1,4] y al rango de frecuencias de operación (0.1 Hz a 100 Hz) para las señales ECG [7,8], la impedancia del sensor tiene valores entre 1.59 GΩ y 1.59 MΩ (ver Tabla 1), por lo que el amplificador a utilizar debe ser de tipo electrométrico, (ultra alta impedancia de entrada Zi ≥ 1 PΩ) para garantizar la mayor transferencia de potencia y evitar la atenuación del biopotencial eléctrico detectado.

En el electrodo 1 [2,4] se utilizó un amplificador operacional LMP7721 en configuración de seguidor de voltaje con el objetivo de mantener la ultra alta impedancia de entrada propia del dispositivo y evitar la atenuación de la señal captada por efecto de carga. Este amplificador operacional se seleccionó por tener una impedancia de entrada ≥ 1 PΩ en paralelo con 0.2 pF, densidades de ruido bajas de 6.5 nV/ y 10 fA/, además una ultra baja corriente de polarización de entrada de 3 fA.

Detección de señales ECG

Con el electrodo 1 [2 ,4] se detectaron señales ECG en el pecho en los puntos precordiales V2 y V4. La mejor señal ECG obtenida, en modo diferencial con este electrodo, así como su espectro de amplitud se muestran en la figura 3 [2,4].

Como se puede apreciar en la figura 3 (a), los componentes P, S, T y U de la señal ECG no se logran apreciar y el ruido existente en la señal es elevado, se obtiene una S/N=43.6. Esto indica que el electrodo 1 aún no cumple con las especificaciones necesarias para la detección de las señales ECG. Con la señal ECG mostrada en la figura 3 (a), tan solo se podría medir la frecuencia cardíaca. Se puede apreciar en la figura 3 (b) que en el espectro de amplitud existe ruido de 60 Hz y de su armónico de 120 Hz, originados por la interferencia electromagnética de la línea de alimentación.

METODOLOGÍA

Diseño del electrodo 2

Investigando el origen del ruido en el conjunto sensor amplificador [9], se calcula la resistencia óptima de ruido (R_o) del primer amplificador (LMP7721). Según [9], para obtener la mayor relación señal a ruido a la salida de un amplificador, la R_o de este debe ser igual a la magnitud de la impedancia del sensor. Con esta condición el amplificador contribuye con la menor cantidad de ruido equivalente a la entrada del mismo.

La R_o de un amplificador se obtiene dividiendo la densidad de voltaje de ruido por la densidad de corriente de ruido a la entrada del amplificador [9]:

Para el LMP7721 tenemos que E_n = 6.5 nV/ e I_n = 10 fA/, por lo que la resistencia óptima de ruido tiene un valor de:

Y según la tabla 1, la magnitud de la impedancia del sensor a la frecuencia de 10 Hz, que es la frecuencia de la banda media del intervalo de frecuencias de interés, es:

Por lo que para el caso del LMP7721 utilizado en el electrodo 1 se cumple que:

Una posibilidad para igualar la magnitud de la impedancia del sensor con la R_o de amplificador operacional, y con esto lograr la mayor relación señal a ruido, es ajustar el tamaño del sensor capacitivo y con esto su capacitancia y su impedancia, pero el diámetro resultante es muy grande (aproximadamente 10 cm), por lo que no es adecuado para fines prácticos. La otra opción es utilizar un amplificador operacional con mayor densidad de voltaje de ruido y menor densidad de corriente de ruido para lograr un valor mayor de R_o. Bajo este criterio, se diseñó el electrodo 2 utilizando el circuito integrado LMP7704, el cual contiene 4 amplificadores operacionales de tipo electrométrico, con impedancia de entrada ≥ 1 PΩ, y características de ruido que proporcionan una R_o más cercana a la reactancia del sensor, E_n = 9 nV/ e I_n = 1 fA/, por lo que la R_o para este amplificador es:

Este valor es más cercano a la magnitud de la impedancia del sensor (15.9 MΩ), en la banda media de operación, por lo que según [9], con este amplificador operacional se debe tener una señal de salida menos ruidosa y por consiguiente de mejor calidad.

Diseño del electrodo de medición

Este nuevo diseño consideró varias mejoras, siendo la más importante la sustitución del amplificador operacional LMP7721 por el LMP7704 para mejorar el valor de R_o como se mostró anteriormente. Se mejoró el diseño del C.I. (layout) evitando las conexiones por alambres entre las de este, para esto se utilizó la conexión por hueco metalizado (Through Hole), se utilizó película antisoldante, se expandió el plano de tierra en la mayor área posible para mejorar el blindaje a la señal captada de interferencias electromagnéticas externas y se adaptó un conector mecánico para montar el C.I. de la placa sensora al C.I. del amplificador y dar estabilidad mecánica al conjunto, manteniendo las placas lo más paralelas posibles y mejorando la guarda a la terminal de conexión eléctrica entre las dos placas [10].

De los resultados obtenidos en el electrodo 1 [2,4], se definieron los parámetros de diseño para el electrodo 2. Se decidió configurar el primer amplificador como seguidor de voltaje para preservar la ultra alta impedancia de entrada del dispositivo (≥1 PΩ). Al igual que en el electrodo 1 [2,4], la polarización de la entrada del amplificador se obtuvo por el diseño del C.I., dejando la terminal de entrada del amplificador muy cerca (aproximadamente 0.25 mm) del plano de tierra para tener una corriente de fuga muy pequeña (fA) y lograr la polarización sin tener que utilizar un resistor de muy alto valor (TΩ). Del análisis espectral realizado a la señal de la figura 3 se observó que el mayor contenido espectral de la señal ECG se concentra en frecuencias menores a 30 Hz, por lo que se decidió recortar el ancho de banda de 0.5 -100 Hz a 0.7272 Hz con un filtro activo de 2^o orden y ganancia de 242, con el objeto de disminuir la componente de 60 Hz y su armónico de 120 Hz, originados por interferencia con la línea de alimentación. Por último se conectó la guarda del sensor a tierra,, convirtiéndose en un blindaje y no en una guarda activa, ya que por experimentación se observaron mejores resultados con esta conexión.

La figura 4 muestra el diagrama eléctrico del electrodo 2 y la figura 5 muestra una fotografía del mismo.

En el diagrama de la figura 4 se muestra, a la izquierda el sensor capacitivo Cs, el cual detecta los biopotenciales, su guarda se muestra conectada a tierra formando un blindaje . La salida de este sensor se aplica, a la entrada del amplificador LMP7704 U1C, el cual está, configurado como seguidor de voltaje, la salida de este amplificador se aplica a dos filtros activos conformados por los amplificadores operacionales LMP7704 U1D y U1B. RC y C1 ajustan la frecuencia de corte del filtro pasa altas (0.72 Hz) y R2, C2 y R7 C4 ajustan la frecuencia de corte del filtro pasa bajas de 2^o orden (72 Hz). Con R3, R4 y C3 se realiza la conexión con otros electrodos del sistema para obtener el voltaje promediado de la señal de interferencia de modo común Vprom, la cual se retroalimenta al cuerpo por medio del electrodo de referencia activo. La terminal VCC es la alimentación de +5 V y Vref es la terminal del voltaje de referencia de +2.5 V.

Sistema de electrodos para la medición de biopotenciales

Para la detección de biopotenciales en el cuerpo humano se desarrolló un sistema de dos electrodos de medición y un electrodo de referencia activo, conectados en configuración unipolar. El sistema se alimenta con 4 baterías de 1.2 V o con los 5 V del puerto USB de una computadora personal. Se requiere un voltaje de referencia de 2.5 V para obtener las señales de salida sobre este nivel ya que estas son variantes en el tiempo con valores por arriba y por abajo de un nivel de referencia. Este voltaje de referencia se obtiene con un circuito integrado regulador de voltaje LF25 (ver Figura 2 del Anexo). El diseño del electrodo de referencia activo es el mismo utilizado en el sistema desarrollado con el electrodo 1 [2,4]. Este electrodo amplifica la señal de modo común de los electrodos de medición, la cual se obtiene promediada en el punto de conexión marcado como Vprom (figura 4), y la aplica al cuerpo humano por contacto galvánico para producir una retroalimentación negativa la cual tiende a neutralizar la señal de interferencia inducida en el cuerpo por fuentes externas, principalmente por la línea de alimentación de 60 Hz. Este electrodo de referencia se diseña con un factor de ganancia de 100 y con un ancho de banda de DC a 100 Hz. El montaje del electrodo de referencia se mejoró rediseñando el C.I. de este al incluir: un plano de tierra, la técnica de hueco metalizado (Through Hole) para realizar las conexiones entre caras, la película antisoldante y un conector mecánico entre la placa del sensor y la placa del circuito amplificador (ver Figuras 3 y 4 del Anexo). El electrodo de referencia no procesa el biopotencial por lo que su diseño no es tan exigente como el del electrodo de medición. La figura 6 muestra el diagrama de bloques del sistema de electrodos utilizado para detectar biopotenciales y lee figura 7 una fotografía del mismo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Medición de biopotenciales ECG

Con el sistema de electrodos desarrollado en este trabajo se midieron diversos biopotenciales. Para poder comparar el desempeño del electrodo 2 con el electrodo 1 [2,4], se midieron señales ECG en las mismas condiciones a las obtenidas con el electrodo 1 [2,4]. Los electrodos de medición se colocaron sobre la piel, en los puntos precordiales V2 y V4 [10]. La figura 8 muestra la señal ECG (diferencial) obtenida con el sistema de electrodos desarrollado, así como su espectro de amplitud. En la figura 8 (a) se aprecian claramente las componentes Q, R y S de la señal ECG, la componente T se aprecia con ruido, y las componentes P y U no se aprecian.

A simple vista la serial de la figura 8 (a) es de mejor calidad que la señal de la figura 3 (a).

En el espectro de amplitud, figura 8 (b), se observa que el ruido de interferencia de 60 Hz y su armónico de 120 Hz están suficientemente atenuados, a diferencia del espectro de amplitud de la señal de la figura 3 (b), donde estas señales de interferencia se observan con amplitud considerable. Con el electrodo 2 se logró una S/N=56.3 mientras que con el electrodo 1 se obtuvo una S/N=43.6, lo cual es congruente con las gráficas de las figuras 3 (a) y 8 (a).

Para minimizar el ruido presente en la señal ECG de la figura 8 (a) y observar si los componentes P y U logran apreciarse, esta señal se procesó con un filtro digital Butterworth pasa bajas de 4^o orden, con una frecuencia de corte de 40 Hz, ya que como puede apreciarse en la figura 8 (b), los componentes de la señal ECG se concentran desde DC hasta 40 Hz. La señal filtrada se muestra en la figura 9, donde se puede apreciar la disminución del ruido en la señal ECG y la componente P con amplitud muy pequeña, la componente U (de color rojo) en el primer registro no se logra apreciar, pero el segundo registro se puede apreciar con amplitud muy pequeña.

Medición de biopotenciales EMG

Para demostrar la versatilidad del electrodo en la detección de otros biopotenciales con el sistema desarrollado también se midieron biopotenciales electromiográficos (EMG), realizando el cambio de los valores de R2 y R7 a 2.7 kΩ para así elevar la frecuencia de corte superior del filtro Pasa-Banda a 580 Hz. La señal EMG se obtuvo colocando los electrodos en los bíceps del brazo derecho y realizando la secuencia contracción-relajación-contracción. La figura 10 muestra la señal EMG obtenida (a) y su espectro de amplitud (b), lo que demuestra la versatilidad de este tipo de electrodo para la detección de cualquier tipo de biopotencial eléctrico con solo cambiar dos elementos pasivos del filtro pasa bajas.

CONCLUSIONES

Se presentó el diseño y desarrollo de un electrodo capacitivo para la detección de biopotenciales en el cuerpo humano. Se demostró que la resistencia óptima de ruido del amplificador operacional utilizado influye notoriamente en la calidad del biopotencial detectado, ya que al tratar de igualar la reactancia del sensor con la resistencia óptima de ruido del amplificador, se obtienen señales menos ruidosas. Utilizando el amplificador operacional LMP7704 se logra una resistencia óptima de ruido de 9 MΩ que es un valor más cercano a la reactancia del sensor capacitivo (15.9 MΩ) en la banda media de operación de las señales ECG, en comparación con la obtenida con el LMP7721 de 650 kΩ. Se demostró que utilizando la guarda conectada a tierra y un filtrado pasa bajas de 2^o orden se obtienen señales con menos ruido de 60 Hz. Se mostraron señales ECG y su espectro de amplitud obtenidas con el electrodo desarrollado y se compararon con las obtenidas con el electrodo 1, diseñado en un trabajo previo, donde se observa la mejoría en la calidad de estas, logrando un aumento en la S/N de 43.6 a 56.3. Se demostró que realizando cambios en los valores de resistencias en el electrodo desarrollado, este se puede utilizar para obtener señales EMG, lo cual indica que el electrodo tiene la versatilidad de adaptarse para medir diferentes biopotenciales. Se presentaron las mejoras realizadas al electrodo desarrollado, respecto del electrodo 1, desarrollado previamente, en el montaje y diseño del circuito impreso, donde la utilización del hueco metalizado (Through Hole), la película antisoldante y el plano de tierra mejoran el rechazo a interferencias electromagnéticas externas, principalmente las producidas por la línea de alimentación de 60 Hz. De las pruebas experimentales se observó que se logra un mejor rechazo a interferencias electromagnéticas externas utilizando la guarda del sensor como blindaje más que como guarda activa. Por último se demostró que se logra la polarización de entrada del amplificador operacional sin necesidad de utilizar el resistor de polarización de muy alto valor (TΩ), logrando la corriente de polarización con la corriente de fuga que se produce en la terminal de entrada del amplificador y el plano de tierra del circuito impreso.

Agradecimientos

J.L V-B y J.O. R-D agradecen al CONACYT por las becas otorgadas y al Instituto Politécnico Nacional por financiar este trabajo.

REFERENCIAS

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