Un bioamplificador es un dispositivo electrofisiológico, una variante del amplificador de instrumentación , que se utiliza para recopilar y aumentar la integridad de la señal de la actividad eléctrica fisiológica para enviarla a varias fuentes. Puede ser una unidad independiente o estar integrada en los electrodos.
Los esfuerzos para amplificar las bioseñales comenzaron con el desarrollo de la electrocardiografía . En 1887, Augustus Waller, un fisiólogo británico, midió con éxito el electrocardiograma de su perro utilizando dos baldes de solución salina, en los que sumergió cada una de las patas delanteras y traseras. [1] Unos meses más tarde, Waller registró con éxito la primera electrocardiografía humana utilizando el electrómetro capilar. [1] Sin embargo, en el momento de la invención, Waller no imaginó que la electrocardiografía se utilizaría ampliamente en la atención médica. El electrocardiógrafo era poco práctico de usar hasta que Willem Einthoven, un fisiólogo holandés, innovó el uso del galvanómetro de cuerda para la amplificación de la señal cardíaca. [2] Las mejoras significativas en las tecnologías de amplificación llevaron al uso de electrodos más pequeños que se adherían más fácilmente a las partes del cuerpo. [1] En la década de 1920, se introdujo una forma de amplificar eléctricamente las señales cardíacas utilizando tubos de vacío, que rápidamente reemplazaron al galvanómetro de cuerda que amplificaba la señal mecánicamente. Los tubos de vacío tienen una mayor impedancia, por lo que la amplificación era más robusta. Además, su tamaño relativamente pequeño en comparación con el galvanómetro de cuerda contribuyó al uso generalizado de los tubos de vacío. Además, los grandes cubos de metal ya no eran necesarios, ya que se introdujeron electrodos de placa de metal mucho más pequeños. En la década de 1930, los dispositivos de electrocardiógrafo podían llevarse a la casa del paciente con el fin de realizar un seguimiento junto a la cama. [3] Con la aparición de la amplificación electrónica, se descubrió rápidamente que muchas características de la electrocardiografía se revelaban con diversas colocaciones de electrodos. [4]
La electrocardiografía (ECG o EKG) registra la actividad eléctrica del corazón a lo largo 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 del que se deriva la frecuencia. Los requisitos típicos para los amplificadores que se utilizan en el ECG incluyen: [1]
La electromiografía (EMG) registra la actividad eléctrica producida por los músculos esqueléticos. Registra varios 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 de un accidente cerebrovascular. Las señales EMG se adquieren de los electrodos aplicados sobre o cerca de los músculos que se van a monitorear. Los electrodos delegan señales a la unidad amplificadora, que generalmente consiste en amplificadores diferenciales de alto rendimiento. Los tipos habituales de la señal de interés están 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]
La instrumentación de electroencefalografía (EEG) es similar a la instrumentación de EMG en términos de implicar la colocación de muchos electrodos de superficie en la piel del paciente, específicamente, en el cuero cabelludo. Mientras que la EMG adquiere las señales de los músculos debajo de la piel, la EEG intenta adquirir señales en el cuero cabelludo del paciente, generadas por las células cerebrales. Simultáneamente, la EEG registra la actividad sumada de decenas de miles a millones de neuronas. A medida que los amplificadores se volvieron lo suficientemente pequeños como para integrarse con los electrodos, la EEG comenzó a tener el potencial para un uso a largo plazo como una interfaz cerebro-computadora , porque los electrodos pueden mantenerse en el cuero cabelludo indefinidamente. Las resoluciones temporales y espaciales y las relaciones señal-ruido de la EEG siempre han estado por detrás de las de los dispositivos intracorticales comparables, pero tiene la ventaja de no requerir cirugía. [6]
Para la amplificación se utilizan amplificadores diferenciales de alto rendimiento. Las señales de interés se encuentran 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] la EEG se beneficia del uso de circuitos integrados. Las posibilidades de la EEG también se deben principalmente a la colocación asimétrica de los electrodos, lo que genera un mayor ruido o desfase. [7] Algunas especificaciones mínimas para un amplificador de EEG moderno incluyen: [1]
La respuesta galvánica de la piel es una medida de la conductancia eléctrica de la piel, que está directamente influenciada por el grado de humedad de la piel. Dado que las glándulas sudoríparas están controladas por el sistema nervioso simpático, la conductancia de la piel es crucial para medir la excitación psicológica o fisiológica. [8] Se ha demostrado clínicamente que la excitación y la actividad de las glándulas sudoríparas ecrinas tienen una relación directa. La alta conductancia de la piel debido a la sudoración se puede utilizar para predecir que el sujeto está en un estado de gran excitación, ya sea psicológica o fisiológica, o ambas. [9]
La respuesta galvánica de la piel se puede medir como resistencia, denominada actividad de resistencia de la piel (SRA) o como actividad de conductancia de la piel (SCA), que es un inverso de la SRA. Tanto la SRA como la SCA 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 se pueden visualizar con la conversión realizada en circuitos o software. [1]
La electrocorticografía (ECoG) registra la actividad acumulada de cientos a miles de neuronas con una lámina de electrodos colocada directamente sobre la superficie del cerebro. Además de requerir cirugía y tener baja resolución, el dispositivo ECoG está cableado, lo que significa que el cuero cabelludo no se puede cerrar por completo, lo que aumenta el riesgo de infección. Sin embargo, los investigadores que investigan 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 longevidad de más de cuatro años en un paciente humano, porque cada componente es completamente biocompatible . Sin embargo, está limitado en la cantidad de información que puede proporcionar, porque la electrónica que utiliza para transmitir su 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 los potenciales de campo local (LFP). Demostró que son capaces de controlar dispositivos de tecnología de asistencia, lo que sugiere que se pueden utilizar técnicas menos invasivas para restaurar la funcionalidad de los pacientes con síndrome de cautiverio. Sin embargo, el estudio no abordó el grado de control posible con los LFP ni hizo una comparación formal entre los LFP y la actividad de una sola unidad. [11]
Por otra parte, el sistema Utah es actualmente un dispositivo cableado, pero transmite más información. Está implantado en un ser humano desde hace más de dos años y consta de 100 electrodos conductores de silicio con forma de aguja, por lo que tiene una alta resolución y puede registrar información de muchas neuronas individuales. [6]
En la actualidad, 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 vinculado a los tipos de electrodos que se colocan en el cuerpo del sujeto. Los tipos de materiales de los electrodos y la posición de montaje de los mismos afectan la adquisición de las señales. [12] También se utilizan matrices de múltiples electrodos, en las que se disponen múltiples electrodos en una matriz.
Los electrodos fabricados con determinados materiales tienden a funcionar mejor al aumentar el área de superficie de los electrodos. Por ejemplo, los electrodos de óxido de indio y estaño (ITO) tienen menos área de superficie que los fabricados con otros materiales, como el nitruro de titanio . Una mayor área de superficie da como resultado una reducción de la impedancia del electrodo, por lo que las señales neuronales se obtienen más fácilmente. Los electrodos de ITO tienden a ser planos con un área de superficie relativamente pequeña y, a menudo, se galvanizan con platino para aumentar el área de superficie y mejorar la relación señal-área. [13]
En la actualidad, los amplificadores y filtros digitales se fabrican en un tamaño lo suficientemente pequeño como para combinarse con electrodos y funcionar 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, donde se encuentran los electrodos adyacentes. Otra ventaja de tener preamplificadores cerca de la fuente de la señal es que los cables largos producen interferencias o ruidos significativos. Por lo tanto, es mejor que los cables sean lo más cortos posible. [13]
Sin embargo, cuando se necesitan bandas más anchas, por ejemplo, una frecuencia muy alta ( potenciales de acción ) o baja ( potenciales de campo locales ), se pueden filtrar digitalmente, tal vez con un amplificador analógico de segunda etapa antes de digitalizarlas. Puede haber algunos inconvenientes cuando se usan varios amplificadores en cascada. Depende del tipo, analógico o digital. Sin embargo, en general, los filtros causan un retardo de tiempo y se necesitan modificaciones para que las señales estén sincronizadas. Además, a medida que se agrega complejidad adicional, cuesta más dinero. En términos de amplificadores digitales, muchos trabajos que realizan los laboratorios están retroalimentando señales a las redes en bucle cerrado, en tiempo real. Como resultado, se necesita más tiempo para aplicarlo a las señales cuando hay más amplificadores digitales en camino. Una solución es usar una matriz de puertas programables en campo (FPGA), el circuito integrado de "pizarra en blanco" en el que se escribe lo que sea. El uso de FPGA a veces reduce la necesidad de usar computadoras, 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 sin procesar, y el segundo filtro tiene una salida máxima mayor que el primero. En ese caso, es imposible reconocer si las señales han alcanzado la salida máxima o no. [13]
La tendencia con el desarrollo de electrodos y amplificadores ha sido la reducción de su tamaño para una mejor transportabilidad, así como la implantación de los mismos en la piel para una grabación prolongada de las señales. Los preamplificadores y los amplificadores de cabezal siguen siendo los mismos, excepto que deben tener diferentes factores de forma. Deben ser ligeros, impermeables, no rayar la piel ni el cuero cabelludo con las piezas que necesitan montarse ellos mismos, y deben disipar bien el calor. La disipación del calor es un gran problema, porque el calor adicional puede hacer que la temperatura del tejido cercano aumente, lo que podría provocar 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 los dos tipos diferentes de materiales. Un dispositivo Peltier bombea activamente el calor de un lado al otro del dispositivo, consumiendo energía eléctrica. El enfriamiento convencional con gases comprimidos no sería una opción viable para enfriar un circuito integrado individual, porque necesita muchos otros dispositivos para funcionar, como evaporador, compresor y condensador. En general, un sistema basado en compresores es más adecuado para trabajos de enfriamiento a gran escala y no es viable para sistemas a pequeña escala como los bioamplificadores. El enfriamiento pasivo, como el disipador de calor y el ventilador, solo limita el aumento de temperatura por encima de la condición ambiental, mientras que los dispositivos Peltier pueden extraer activamente calor directamente de una carga térmica, al igual que los sistemas de enfriamiento basados en compresores. Además, los dispositivos Peltier se pueden fabricar en tamaños muy inferiores a 8 mm cuadrados, por lo que se pueden integrar a los bioamplificadores sin que pierdan movilidad. [14]