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Electrodos de biopotencial

Se emplean para medir potenciales y corrientes emanados del cuerpo.

Sirven como interfaz entre el cuerpo y los sistemas de instrumentación.

Realizan la transducción de corrientes iónicas en el cuerpo a electrónicas en el sistema de medición.

Interfaz electrodo-electrolito

e-

Electrodo Electrolito

A-C+

C+

C

C

C

C

C

C+

A-

e-

e-

I

C: Átomos metálicose-: Electrones en el metal

C+: CationesA-: Aniones

Interfaz electrodo-electrolito

Para que se dé el intercambio de carga tienen que ocurrir reacciones químicas dadas por:

n es la valencia de C y m la de A

meAA

neCC

m

n

Potencial de semicelda

Surge cuando en un área localizada alrededor del electrodo éste entra en contacto con el electrolito.

Está determinado por el metal, la concentración de iones y la temperatura.

Se establece una separación de cargas en la interfaz.


Para medirlo se requiere introducir otro electrodo en la solución (otro potencial de semicelda).

Existirían muchas combinaciones de pares de electrodos para medir un potencial de semicelda.

Se fija como referencia el electrodo de Hidrógeno (Con 0V por convención).

Polarización

Cuando fluye corriente por la interfaz electrodo electrolito el potencial de semicelda se altera.

Este fenómeno se conoce como polarización del electrodo.

La diferencia entre el potencial de semicelda original y el alterado se llama sobrevoltaje.

Mecanismos generadores de polarización y sobrevoltaje

Existe tres mecanismos que son aditivos, por tanto, el sobrevoltaje está dado por:

Vp: Sobrevoltaje total

Vr: Sobrevoltaje óhmico

Vp: Sobrevoltaje por concentración

Vr: Sobrevoltaje de activación

acrp VVVV

Mecanismos generadores de polarización y sobrevoltaje

Sobrevoltaje óhmico: Debido a la resistencia del electrolito

Sobrevoltaje por concentración: Debido a las diferencias de concentración de iones en la vecindad del electrodo.

Sobrevoltaje de activación: Debido a las diferencias de las energías de barrera en la reacción que gobierna el intercambio de iones

Potencial de soluciones iónicas

Solución 1 Solución 2

A-C+

C+

C+

A-

A-

A-

A-

C+

C+

C+

2

1lna

a

nF

RTE

Membranasemipermeable

Potencial de soluciones iónicas

Ecuación de Nernst

ai: Actividad del ión: Disponibilidad de que la especie i entre en reacción. Es aproximadamente igual a la concentración

2

1lnaa

nFRT

E

Modelo del potencial de semicelda

E: Potencial de semiceldaE0: Potencial de semicelda estándarn: valencia del material del electrodoac

n+: Actividad del catión Cn+

ncanF

RTEE ln0

Potencial de juntura líquido

Potencial entre dos soluciones con diferentes iones.

µ+, µ-: movilidades de los iones

a’, a’’: Actividades de las soluciones

''

'lna

a

nF

RTE

Electrodos polarizables y no polarizables

Esta clasificación se debe al comportamiento de los electrodos al paso de la corriente.

1. Electrodos perfectamente polarizables: Cuando no hay cruce de cargas en la interfaz

2. Electrodos perfectamente no polarizables: Cuando hay libre cruce de cargas (no tienen sobrevoltajes)


No se fabrican en la realidad pero se encuentran electrodos con características similares

Los electrodos de materiales nobles (platino) se asemejan a los polarizables. Tienen un gran efecto capacitivo


Electrodo de plata-cloruro de plata: Se aproxima a un no polarizable

Ag

CapaSuperficial

AgCl

ElectrolitoCon iones Cl-

Cable Aislamiento

Electrodo de Ag/AgCl

Representado por dos ecuaciones:

La tasa de precipitación y retorno es la constante Ks (producto solubilidad)

AgClClAg

eAgAg


En condiciones de equilibrio

aCl-≈1 en fluidos biológicos y Ks≈10-10, por tanto, aAg

+ es del orden de Ks y su actividad en los fluidos biológicos será muy pequeña.

ClAgs aaK



ClsAg

Cl

sAg

AgAg

anFRT

KnFRT

EE

aK

nFRT

EE

anFRT

EE

lnln

ln

ln

0

0

0


Construcción 1


Construcción 2: Cápsula

Cable Ag

Comprimido AgCl Ag

Funcionamiento y modelos circuitales de los electrodos

El modelo requiere elementos no lineales Las características son sensibles al paso de

corrientes a través del electrodo Se comporta diferente para altas y bajas

corrientes Dependen de la forma de onda Dependen de la frecuencia


Rd y Cd: Asociados a la interfaz electrodo-electrolito

Rs: Resistencia del electrolitoEhc: Potencial de semicelda

Ehc

Rd

Rs

Cd


La impedancia equivalente de este circuito es:

sdd

deq

s

dd

dd

eq

RCsRR

Z

R

sCR

sCR

Z

1

1

1


Respuesta en frecuencia:

Interfaz electrodo-piel

Para medir biopotenciales en la superficie corporal se debe considerar, además de la interfaz electrodo-electrolito, la contribución de la piel.

El electrolito es una pasta o gel que contiene iones de Cl- como principal anión.

La interfaz electrodo-gel es una interfaz electrodo-electrolito

Interfaz electrodo-piel Estructura de la piel

Interfaz electrodo-piel Estructura de la piel

Gel

Electrodo

Epidermis

Dermis y capa subcutánea

Ehc

Rd

Rs

Cd

Ese

Re

Ru

Ce

Ep

RpCp

Glándulas y conductossudoríparos

Interfaz electrodo-piel

La influencia del estrato córneo se puede minimizar frotando la piel hasta causar eritema. Este proceso hace que se minimice Ese, Ce y Re

Cuando se minimiza el efecto del estrato córneo se logra mayor estabilidad de la señal

Artefacto por movimiento

Cuando se emplean electrodos polarizables en contacto con un electrolito se forma una doble capa de cargas en la interfaz.

Si se mueve el electrodo, se genera un desplazamiento de cargas que poduce una variación del potencial de semicelda hasta que se restablece el equilibrio


Si se está midiendo una diferencia de potencial entre dos electrodos y uno se mueve aparece un ruido en la señal medida.

El ruido se conoce como artefacto por movimiento y puede ser una interferencia seria en la medición de biopotenciales


El artefacto por movimiento es mínimo en los electrodos no polarizables

El artefacto por movimiento tiene una mayor influencia en bajas frecuencias.

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