Ingeniería biomédica · Guía
Instrumentación biomédica: amplificador de ECG, CMRR y seguridad eléctrica
Un electrocardiograma mide un milivoltio entre dos electrodos mientras el cuerpo entero sube y baja decenas o cientos de milivoltios a 60 Hz por su acoplamiento con la red. Esta herramienta te deja diseñar el amplificador que separa una cosa de la otra y revisar que el equipo sea seguro para el paciente. Es un simulador educativo; no es un dispositivo médico ni sustituye las pruebas de un laboratorio acreditado.
1. El amplificador de instrumentación
Los operacionales U1 y U2 amplifican la diferencia entre los electrodos y dejan pasar el modo común con ganancia 1; U3 resta y elimina lo común.
| Fórmula | Qué dice |
|---|---|
| G1 = 1 + 2·R1/RG | Ganancia de la etapa de entrada. Con R1 = 24.7 kΩ es la del AD620: G = 1 + 49.4 kΩ/RG. |
| Gd = G1·R3/R2 | Ganancia diferencial total. Con RG = 1 kΩ y R3/R2 = 10, Gd ≈ 504. |
| CMRR ≈ G1·(1 + G2)/(4t) | Rechazo de modo común en el peor caso con resistencias de tolerancia t (Pallás-Areny y Webster, 1991). Diez veces menos tolerancia son 20 dB más. |
| CMRRe = Zc/ΔZe | Límite que imponen los electrodos desbalanceados: el modo común se vuelve diferencia antes de entrar al amplificador. |
Abre los ejemplos Resistencias de 5 %, INA integrado de 0.1 % y Electrodos secos desbalanceados y mira en CMRR por fuente de error cuál término domina: siempre manda el más pequeño.
2. La pierna derecha
El modo común es la corriente de desplazamiento que el cuerpo recoge de la red (Webster estima unos 0.2 µA cerca del cableado de un laboratorio) multiplicada por la impedancia del electrodo de la pierna derecha. El circuito de pierna derecha (Winter y Webster, 1983) toma el modo común del punto medio de RG, lo invierte con ganancia RF/RA y lo regresa al cuerpo por RO, así que lo divide entre 1 + RF/RA. RO limita la corriente si el amplificador se satura: en equipos tipo CF conviene que no pase de 10 µA, aunque una RO grande reduce el beneficio.
3. Compruébalo en el simulador de circuitos
El botón Simulador de circuitos abre los ejemplos ay. Amplificador de instrumentación para ECG y az. Front-end de ECG con pierna derecha. Ahí la ganancia sale 504, una resistencia con 5 % de error deja pasar ≈ 45 mV de 60 Hz y el interruptor S1 muestra el modo común del cuerpo: ≈ 100 mV con la pierna a tierra y ≈ 3.5 mV con la pierna derecha activa. Las pruebas automáticas del proyecto comparan estos resultados del simulador con las fórmulas de esta herramienta.
4. Aislamiento y corrientes de fuga
Toda capacitancia entre la red y el paciente deja pasar I = V·2πf·C: cada 100 pF a 127 V y 60 Hz son ≈ 4.8 µA. IEC 60601-1 (cláusula 8.7.3) fija, en corriente alterna:
| Corriente de fuga del paciente | B y BF | CF |
|---|---|---|
| Condición normal | 100 µA | 10 µA |
| Primer defecto | 500 µA | 50 µA |
| Red sobre la parte aplicada tipo F | 5000 µA (BF) | 50 µA |
Con el ejemplo Barrera de aislamiento insuficiente verás que una fuente aislada con 2 nF de capacitancia no sirve para una parte CF: la herramienta calcula la capacitancia máxima de la barrera.
5. Choque eléctrico
La corriente es la que hace daño: I = V/(Rpiel + Rinterna + Rpiel). Con piel seca la resistencia de cada contacto puede ser de cientos de kΩ; mojada o herida, de unos cuantos kΩ o casi nada. Para 60 Hz durante 1 a 3 s de mano a mano (Webster, cap. 14): percepción ≈ 0.5 mA, imposibilidad de soltar desde 6 mA, parálisis respiratoria ≈ 20 mA y fibrilación ventricular desde 75 mA. Si la corriente llega directo al corazón por un catéter (microchoque), el límite aceptado es 10 µA: por eso las partes CF tienen límites diez veces más estrictos.
6. Lo que el modelo simplifica
Operacionales ideales salvo su CMRR, electrodos como resistencias, un cuerpo de una sola impedancia y efectos promedio de un adulto de 70 kg. Úsalo para entender y dimensionar, nunca para certificar un equipo.
Prueba lo que aprendiste: ajusta el amplificador y mide su CMRR.
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