Download Diapositiva 1 - Bioinstrumentación

Juan Sebastián Osorio Valencia
Investigador GIBEC
Módulo Curso de Bioinstrumentación
Pregrado Ingeniería Biomédica EIA-CES
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Introducción.
Método de dilución del indicador por:
infusión continua e inyección rápida.
Mediciones electromagnéticas de flujo.
Mediciones ultrasónicas de flujo.
Sensores de velocidad por convección
térmica.
Mediciones pletismográficas: cámara y
fotopletismografía.
Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre
Fig. 1. Corazón y simulación de la función valvular [1].
Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre
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Medida ideal:
Concentración de O2 y otros nutrientes en las
células.
Medidas de segunda clase: flujo de sangre y
cambios en el volumen sanguíneo.
Medidas de tercera clase: presión de sangre.
Medidas de cuarta clase: ECG.
Medición del gasto cardíaco.
Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre
Métodos para
determinar el
flujo sanguíneo
Invasivos:
dilución de
indicador
Infusión
continua
Técnica de Fick
No invasivos:
exploración
doppler
Inyección rápida
Termodilución
Dilución de
colorante
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Onda continua
Termodilución
Onda pulsante
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Los métodos de dilución del indicador no
miden el flujo pulsátil instantáneo sino el
promedio de flujo en un número de
pulsaciones del corazón.
Por infusión continua:
 Técnica de Fick
F
dm / dt
C a  Cv
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F=flujo de sangre.
Ca=concentración de O2 arterial.
Cv=concentración de O2 venoso.
dm/dt=consumo de O2.
Fig. 2. Técnica de Fick para medición del gasto cardiaco. Indicador
es O2, consumo se mide por medio de un espirómetro.
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Por inyección rápida:
 Ha ido reemplazando al
método por infusión
continua.
 Una dosis del indicador es
inyectada rápidamente en
el torrente sanguíneo.
 Se miden las variaciones
en la concentración.
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F
m
t1
 C (t )dt
0
Fig. 3. Curva obtenida por medio del método de inyección rápida.
La dosis es suministrada en el tiempo A y si no hubiera
recirculación, la concentración sería cer0 en el instante E.
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Por inyección rápida:
 Dilución de colorante
▪ Verde de indocianina (ICG): inerte, no peligroso,
medible, económico e intravascular.
▪ Pico de absorción en 805nm.
▪ Inyectado en la arteria pulmonar.
▪ Concentración medida en arteria braquial o
femoral.
▪ Medición por colorimetría.
Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre
http://www.nymc.edu/fhp/centers/syncope/Green%20Dye.htm
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Termodilución:
 Método más común.
 Inyección de solución
salina fría en la aurícula
derecha.
 Temperatura medida en la
arteria pulmonar.
F
Q
t1
 b cb  Tb (t )dt
0
(m3 / s)
Fig. 4. Catéter de
cuatro lumen usado en
termodilución.
Q=entalpía de la solución.
pb=densidad de la sangre.
cb=calor específico de la sangre.
Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre
http://www.hugo-sachs.de/haemo/car_ou.htm
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Los flujómetros electromagnéticos miden el
flujo pulsátil instantáneo .
Operan en cualquier líquido conductivo:
solución salina y sangre.
Principio: Inducción electromagnética.
L1
e   u  B  dL
0
B=densidad de flujo magnético.
L=distancia entre electrodos.
u=velocidad instantánea de la sangre.
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Flujómetro DC: Campo
magnético dc. Presenta
varios problemas.
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Flujómetro AC: Con
corriente magnética ac
de aprox. 400Hz.
Necesita de un electrodo
fantasma o un circuito de
supresión de cuadratura.
Fig. 5. Flujómetro EM. La sangre fluye con
una velocidad u y pasa por un campo
magnético B, induciendo una FEM e,
medida por los electrodos.
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Fig. 6. A. Ondas obtenidas en el
flujómetro. B. Circuito de supresión de
cuadratura.
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Efecto Doppler:
Cambio de frecuencia de una onda producido
por el movimiento de la fuente respecto a su
observador.
Ondas de ultrasonido
chocan con la sangre
en movimiento
Cambia la frecuencia
de la onda
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Velocidad de la
sangre relacionada
con el cambio en la
frecuencia
Fig. 7. Efecto Doppler. Objetos en movimiento cambian la
frecuencia de la onda reflejada.
v: velocidad del objeto en la dirección del rayo de ultrasonido.
c: velocidad del sonido en el medio.
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Campo lejano y cercano para diferentes transductores de
ultrasonido.
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Fig. 8. Diferentes configuraciones de transductores de ultrasonido F(2
a 10 MHz). (a) Sonda para medición por tiempo de tránsito. (b)
Transcutánea doble. (c) Con lente plástico. (d) Para operación pulsada.
(e) Con vidrio de acrílico. (f) Al final de un catéter. (g) Para operación
pulsada en catéter.
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𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐷
𝑡=
=
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐 ± 𝑢𝑐𝑜𝑠𝜃
t=Tiempo de tránsito
D=Distancia recorrida
c= Velocidad del sonido
ū =Velocidad promedio del flujo sanguíneo
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Flujómetro por tiempo
de tránsito (MFTT):
 Utiliza la tecnología
Fig. 9. Esquema de diseño del flujómetro por
tiempo de tránsito.
Doppler pero no dicho
principio.
 Ultrasonido viajando
contra la corriente
sanguínea toma más
tiempo que el que viaja en
el sentido de la corriente.
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𝑓𝑑 =
2𝑓𝑜 𝑢𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑐
Fig. 10. Esquema de funcionamiento de un flujómetro de
ultrasonido de onda continua simple.
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Otros flujómetros
por Doppler:
 Doppler direccional.
 Doppler pulsado.
 Doppler láser.
Fig. 11. Ecógrafos DC3 Mindray.
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Fig. 12. Flujómetro por Doppler de Laser (LDF).
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Fig. 13. Prueba de ultrasonido en arteria carótida
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A
Fig. 14. Imágenes de doppler a color mostrando flujo de
sangre en arteria carótida. A. Carótida sana. B. Carótida
parcialmente bloqueada.
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B
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Enfriamiento por convección del sensor.
Solo velocidad local.
Sensibilidad alta a bajas velocidades.
Método no lineal.
Muy importante la localización de la sonda.
Fig. 15. Diseño de las sondas.
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𝑊
= 𝑎 + 𝑏 𝑙𝑜𝑔𝑢
∆𝑇
W=Potencia disipada por el termistor
a y b= constantes
∆T = Sobrecalentamiento del termistor por encima de la temp de la sangre
u= Velodcdad de la sangre
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Fig. 16. Circuito para sensor con temperatura constante.
Usado en el acondicionamiento de la señal en sensores de
velocidad por convección térmica. Rt, menor coeficiente
resistencia-temperatura.
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Fig. 17. Pletismografía. Medidas de cambio de volumen en la
sangre de las extremidades de una forma no invasiva.
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Cambios en el volumen del vaso modifican la
absorción, reflexión y esparcimiento de la luz.
Simple e indica eventos como frecuencia
cardiaca.
Pobre medida del volumen.
Sensible a artefactos de movimiento.
GaAs LED  pico de emisión espectral en
940nm.
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Fig. 18. Fotopletismografía en el dedo y en la oreja.
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Fig. 19. Fotopletismografía en (a) modo de transmisión y en
(b) modo de reflexión.
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R1
R2
C1
R3
Fig. 20. Circuito de fotopletismógrafo. La salida del diodo es
alterada por la absorción del tejido, lo cual modula el
fototransistor.
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Cardiac Output:
http://www.adinstruments.com/solutions/research/CardiacOutput/

Photoplethysmography Blood Pressure Measurement:
http://memslab.nus.edu.sg/me4284/AY%200405%20Report/Phot
oplethysmography%20Blood%20Pressure%20Measurement.pdf

Corbeta EJ, et al. Laser Doppler flowmetry is useful in the clinical
management of small bowel transplantation. Gut 2000;47:580-583

Lu G, et al. A comparison of photoplethysmography and ECG
recording to analyse heart rate variability in healthy subjects.
Journal of Medical Engineering & Technology 2009; 33:8, 634-641
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[1] Adaptive heart simulation. Tomado de:
http://www.math.nyu.edu/~griffith/heart_anim/
[2] J. G. Webster (ed.), Medical Instrumentation: aplication and design. 3rd ed.
New York: John Wiley & Sons, 1998.
[3] J.G. Webster (ed.), Bioinstrumentation. New York: John Wiley & Sons,
2004.
[4] Joseph D. Bronzino (ed.), The Biomedical Engineering Handbook. 2nd ed.
Boca Ratón: CRC Press and IEEE Press, 2000.
[5] J.G. Webster (ed.) Measurement, Instrumentation and Sensor Handbook.
Boca Ratón: CRC Press, 1999.
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