Bioamplificador

La electrocardiografía (ECG o EKG) registra la actividad eléctrica del corazón a través de la superficie de la piel del tórax. Las señales son detectadas por electrodos adheridos a la superficie de la piel y registradas por un dispositivo externo al cuerpo. ^{[ 5 ]}

La amplitud del ECG varía de 0,3 a 2 mV para el complejo QRS, que se utiliza para determinar el intervalo entre latidos a partir del cual se deriva la frecuencia. Los requisitos típicos para los amplificadores que se utilizan en el ECG incluyen: ^{[ 1 ]}

• Bajo nivel de ruido interno (<2 mV)
• Alta impedancia de entrada (Z _in > 10 MΩ)
• Ancho de banda que oscila entre 0,16 y 250  Hz .
• Límites de ancho de banda (>18  dB/octava).
• Filtro de muesca (50 o 60  Hz, según el país/región)
• Relación de rechazo en modo común (CMRR > 107  dB)
• Rango de entrada en modo común (CMR ± 200 mV)
• Protección contra descargas electrostáticas (>2000 V).

La electromiografía (EMG) registra la actividad eléctrica producida por los músculos esqueléticos. Registra diversos tipos de señales musculares, desde la relajación simple mediante la colocación de electrodos en la frente del sujeto, hasta la retroalimentación neuromuscular compleja durante la rehabilitación tras un accidente cerebrovascular. Las señales EMG se adquieren a partir de los electrodos aplicados sobre o cerca de los músculos que se van a monitorizar. Los electrodos envían las señales a la unidad amplificadora, que generalmente consta de amplificadores diferenciales de alto rendimiento . Los tipos habituales de señal de interés se encuentran en el rango de amplitud de 0,1 a 2000 mV, en un ancho de banda de aproximadamente 25 a 500  Hz. ^{[ 1 ]}

Aunque muchos electrodos todavía se conectan a un amplificador mediante cables, algunos amplificadores son lo suficientemente pequeños como para montarse directamente en el electrodo. Algunas especificaciones mínimas para un amplificador EMG moderno incluyen: ^{[ 1 ]}

• Bajo nivel de ruido interno (<0,5 mV)
• Alta impedancia de entrada (>100 MΩ)
• Ancho de banda plano y cortes de alta y baja frecuencia pronunciados (>18  dB/octava).
• Alta relación de rechazo en modo común (CMRR > 10 ⁷  dB)
• Rango de entrada en modo común (CMR > ±200 mV)
• Protección contra descargas electrostáticas (>2000 V)
• Estabilidad de ganancia > ±1%

La instrumentación de electroencefalografía (EEG) es similar a la de electromiografía (EMG) en cuanto a la colocación de numerosos electrodos superficiales en la piel del paciente, específicamente en el cuero cabelludo. Mientras que la EMG capta las señales de los músculos subcutáneos, la EEG intenta captar las señales del cuero cabelludo, generadas por las células cerebrales. Simultáneamente, la EEG registra la actividad total de decenas de miles a millones de neuronas. Gracias a que los amplificadores se han miniaturizado lo suficiente como para integrarse con los electrodos, la EEG ha adquirido el potencial para su uso a largo plazo como interfaz cerebro-computadora , ya que los electrodos pueden permanecer en el cuero cabelludo indefinidamente. Si bien la resolución temporal y espacial, así como la relación señal-ruido, de la EEG siempre han sido inferiores a las de dispositivos intracorticales comparables, presenta la ventaja de no requerir cirugía. ^{[ 6 ]}

Se utilizan amplificadores diferenciales de alto rendimiento para la amplificación. Las señales de interés están en el rango de 10 μV a 100 μV, en el rango de frecuencia de 1 a 50  Hz. De manera similar a los amplificadores EMG, ^{[ 1 ]} el EEG se beneficia del uso de circuitos integrados. Las posibilidades del EEG también se deben principalmente a la colocación asimétrica de los electrodos, lo que conduce a un aumento del ruido o desplazamiento. ^{[ 7 ]} Algunas especificaciones mínimas para un amplificador EEG moderno incluyen: ^{[ 1 ]}

• Bajo nivel de ruido interno de voltaje y corriente (<1 mV, 100 pA)
• Alta impedancia de entrada (>10⁸ ^MΩ )
• Ancho de banda (1–50  Hz)
• Frecuencias de corte (>18  dB/octava)
• Alta relación de rechazo de modo común (>10 ⁷ )
• Rango de entrada en modo común (superior a ±200 mV).
• Protección contra descargas electrostáticas (>2000 V)
• Estabilidad de ganancia > ±1%

La respuesta galvánica de la piel es una medida de la conductancia eléctrica de la piel, la cual está directamente influenciada por su nivel de humedad. Dado que las glándulas sudoríparas están controladas por el sistema nervioso simpático , la conductancia cutánea es crucial para medir la excitación psicológica o fisiológica. ^{[ 8 ]} Clínicamente, se ha observado una relación directa entre la excitación y la actividad de las glándulas sudoríparas ecrinas. Una alta conductancia cutánea debida a la sudoración puede utilizarse para predecir que el sujeto se encuentra en un estado de alta excitación, ya sea psicológica, fisiológica o ambas. ^{[ 9 ]}

La respuesta galvánica de la piel se puede medir como resistencia, denominada actividad de resistencia cutánea (ARC), o como actividad de conductancia cutánea (ACC), que es la inversa de la ARC. Tanto la ARC como la ACC incluyen dos tipos de respuestas: el nivel promedio y la respuesta fásica a corto plazo. La mayoría de los instrumentos modernos miden la conductancia, aunque ambas pueden visualizarse con la conversión realizada en circuitos o software. ^{[ 1 ]}

La electrocorticografía (ECoG) registra la actividad acumulativa de cientos o miles de neuronas mediante una lámina de electrodos colocada directamente sobre la superficie del cerebro. Además de requerir cirugía y tener baja resolución, el dispositivo ECoG es cableado, lo que impide cerrar completamente el cuero cabelludo y aumenta el riesgo de infección. Sin embargo, los investigadores que estudian la ECoG afirman que la rejilla «posee características adecuadas para la implantación a largo plazo». ^{[ 6 ]}

El electrodo neurotrófico es un dispositivo inalámbrico que transmite sus señales de forma transcutánea. Además, ha demostrado una durabilidad de más de cuatro años en un paciente humano, ya que todos sus componentes son completamente biocompatibles . Sin embargo, su capacidad para proporcionar información es limitada, puesto que la electrónica que utiliza para transmitir la señal (basada en amplificadores diferenciales ) requiere tanto espacio en el cuero cabelludo que solo caben cuatro en un cráneo humano. ^{[ 10 ]}

En un experimento, el Dr. Kennedy adaptó el electrodo neurotrófico para leer potenciales de campo locales (PCL). Demostró que estos son capaces de controlar dispositivos de tecnología de asistencia, lo que sugiere que se pueden utilizar técnicas menos invasivas para restaurar la funcionalidad en pacientes con síndrome de enclaustramiento. Sin embargo, el estudio no abordó el grado de control posible con los PCL ni realizó una comparación formal entre los PCL y la actividad de unidades individuales. ^{[ 11 ]}

Como alternativa, el conjunto de electrodos de Utah es actualmente un dispositivo cableado, pero transmite más información. Ha estado implantado en un ser humano durante más de dos años y consta de 100 electrodos conductores de silicio en forma de aguja, por lo que tiene alta resolución y puede registrar la actividad de muchas neuronas individuales. ^{[ 6 ]}

Actualmente, se utilizan principalmente amplificadores digitales para registrar bioseñales. El proceso de amplificación no solo depende del rendimiento y las especificaciones del dispositivo amplificador, sino que también está estrechamente relacionado con el tipo de electrodos que se colocan en el cuerpo del sujeto. El tipo de material de los electrodos y su posición de montaje afectan la adquisición de las señales. ^{[ 12 ]} También se utilizan matrices de multielectrodos, en las que se disponen varios electrodos en una matriz.

Los electrodos fabricados con ciertos materiales tienden a funcionar mejor al aumentar su superficie. Por ejemplo, los electrodos de óxido de indio y estaño (ITO) tienen una superficie menor que los fabricados con otros materiales, como el nitruro de titanio . Una mayor superficie reduce la impedancia del electrodo, lo que facilita la obtención de señales neuronales. Los electrodos de ITO suelen ser planos, con una superficie relativamente pequeña, y a menudo se recubren con platino mediante electrodeposición para aumentar la superficie y mejorar la relación señal-área. ^{[ 13 ]}

Actualmente, los amplificadores y filtros digitales se fabrican con un tamaño lo suficientemente pequeño como para combinarse con electrodos, funcionando como preamplificadores. La necesidad de preamplificadores es evidente, ya que las señales que producen las neuronas (o cualquier otro órgano) son débiles. Por lo tanto, es preferible colocar los preamplificadores cerca de la fuente de las señales, junto a los electrodos. Otra ventaja de tener los preamplificadores cerca de la fuente de la señal es que los cables largos generan interferencias o ruido significativos. Por consiguiente, es mejor que los cables sean lo más cortos posible. ^{[ 13 ]}

Sin embargo, cuando se necesitan bandas más amplias, por ejemplo, una frecuencia muy alta ( potenciales de acción ) o una frecuencia baja ( potenciales de campo local ), se pueden filtrar digitalmente, quizás con un amplificador analógico de segunda etapa antes de la digitalización. Puede haber algunos inconvenientes cuando se utilizan varios amplificadores en cascada. Depende del tipo, analógico o digital. Sin embargo, en general, los filtros causan retardo y se necesitan ajustes para sincronizar las señales. Además, a medida que se añade complejidad, aumenta el coste. En cuanto a los amplificadores digitales, muchos trabajos que realizan los laboratorios consisten en realimentar señales a las redes en bucle cerrado y en tiempo real. Como resultado, se necesita más tiempo para procesar las señales cuando hay más amplificadores digitales en la ruta. Una solución es utilizar una matriz de puertas programables en campo (FPGA), el circuito integrado "en blanco" en el que se graba cualquier cosa. El uso de FPGA a veces reduce la necesidad de usar ordenadores, lo que resulta en una aceleración del filtrado. Otro problema con los filtros en cascada ocurre cuando la salida máxima del primer filtro es menor que las señales originales, y el segundo filtro tiene una salida máxima mayor que la del primero. En ese caso, es imposible determinar si las señales han alcanzado o no la salida máxima. ^{[ 13 ]}

La tendencia en el desarrollo de electrodos y amplificadores ha sido reducir su tamaño para una mejor portabilidad, así como hacerlos implantables en la piel para el registro prolongado de señales. Los preamplificadores y amplificadores de etapa de cabezal se mantienen iguales excepto que deben tener diferentes factores de forma. Deben ser ligeros, impermeables, no arañar la piel o el cuero cabelludo en las partes que necesitan montarse y deben disipar bien el calor. La disipación de calor es un problema importante, porque el calor excesivo puede causar un aumento en la temperatura del tejido cercano, lo que potencialmente causa un cambio en la fisiología del tejido. Una de las soluciones para disipar el calor es el uso del dispositivo Peltier . ^{[ 13 ]} El dispositivo Peltier utiliza el efecto Peltier o efecto termoeléctrico para crear un flujo de calor entre dos tipos diferentes de materiales. Un dispositivo Peltier bombea activamente el calor de un lado al otro del dispositivo, consumiendo energía eléctrica. La refrigeración convencional mediante gases comprimidos no sería una opción viable para enfriar un circuito integrado individual, ya que requiere muchos otros dispositivos para su funcionamiento, como un evaporador, un compresor y un condensador. En general, un sistema basado en compresor es más adecuado para tareas de refrigeración a gran escala y no es viable para sistemas de pequeña escala como los bioamplificadores. La refrigeración pasiva, como la que utilizan disipadores de calor y ventiladores, solo limita el aumento de temperatura por encima de la temperatura ambiente, mientras que los dispositivos Peltier pueden extraer activamente el calor de una carga térmica, al igual que los sistemas de refrigeración basados ​​en compresores. Además, los dispositivos Peltier se pueden fabricar en tamaños muy inferiores a 8  mm cuadrados, por lo que se pueden integrar en los bioamplificadores sin que estos pierdan movilidad. ^{[ 14 ]}