ES2329773T3 - Sensores electrodinamicos y aplicaciones de los mismos. - Google Patents

Abstract

Un sensor electrodinámico que comprende un par de sondas (1, 21) de entrada para detectar pequeños potenciales eléctricos que se originen en un objeto sometido a prueba y para generar señales de detección, y un electrómetro de impedancia de entrada alta que comprende un amplificador (9, 23) dispuesto para recibir las señales de detección y proporcionar señales de medición, estando configurada dicha sonda para detectar una corriente de desplazamiento eléctrica y comprendiendo un sustrato (5) de electrodo que tiene sobre el mismo una delgada película (3) de material aislante, y comprendiendo el sensor, además, una disposición de polarización de entrada de corriente continua (R; R1, R2; AF1, AF2) para proporcionar una corriente de polarización de entrada constante al amplificador y para garantizar un punto operativo de corriente continua, un bucle de realimentación negativa de corriente continua a baja frecuencia que coge señales de medición amplificadas, elimina frecuencias de señal y alimenta una señal estabilizadora filtrada en paso bajo a la disposición de polarización de entrada, un circuito de guarda (22) que proporciona una pantalla que rodea dicho sustrato de electrodo y cableado de entrada para dicha sonda, excitándose dicho circuito de guarda por la salida de dicho amplificador y estando dispuesto para mantener el mismo potencial en dicha sonda que en dicha pantalla, y una disposición de realimentación que proporciona arranque de una resistencia de polarización y neutralización al introducir la señal de salida en la entrada mediante un condensador, actuando conjuntamente dicho circuito de guarda, arranque y neutralización para aumentar la sensibilidad de dicho electrómetro a dichos potenciales eléctricos pequeños sin perturbar el campo eléctrico asociado con los mismos.

Description

Sensores electrodinámicos y aplicaciones de los mismos.

Esta invención se refiere a sensores electrodinámicos y a aplicaciones de los mismos en campos tales como diagnosis médica y detección biométrica. En particular, la invención puede utilizarse para obtener electrocardiogramas (ECGs) y electroencefalogramas ambulatorios (EEGs) y en ayudas diagnósticas tales como presentaciones en tiempo real tridimensionales.

En esta memoria, se ha de entender que los siguientes términos tienen significados como los indicados a continuación.

Sensor - la unidad completa (electrodo + amplificador electrómetro)

Electrodo - la parte del sensor que se acopla a la señal (por ejemplo, el electrodo de película de óxido)

Electrómetro - la electrónica (por ejemplo, amplificador que incluye técnicas de realimentación)

Modo de contacto - sin contacto eléctrico, únicamente contacto físico

Modo remoto alejado del cuerpo - sin contacto eléctrico ni físico

Se conocen sensores electrodinámicos, por ejemplo por el documento WO 01/16607, que describe un sensor de campo eléctrico que tiene un electrodo captador capacitativo para la detección de campos eléctricos alternos que se originan en el interior del cuerpo humano, cuyo electrodo está conectado a un amplificador detector de alta impedancia. Con el fin de hacer que el acoplamiento de capacitancia sea relativamente sensible a variaciones de la separación entre el cuerpo y el electrodo, se posiciona el electrodo en un lugar "separado" respecto del cuerpo y se coloca un condensador limitador en serie con la entrada al amplificador detector.

Asimismo, se describen disposiciones de medición en las siguientes referencias de la técnica anterior, algunas para medir potenciales bioeléctricos y algunos para medir características de objetos inanimados, tales como placas de circuito.

El documento US-3882846 se refiere a unos electrodos electrocardiográficos, en los que se usan unas capas dieléctricas aislantes en contacto con la piel para vigilancia electrocardiográfica. El sensor comprende un amplificador basado en empalme FET para proporcionar una señal desde el electrodo hasta el equipo de vigilancia.

El documento US-5307818 describe un sistema inalámbrico para la adquisición de señales de electrocardiograma. Se colocan unos electrodos en contacto eléctrico resistivo con la piel como en el caso de electrodos ECG secos convencionales, y unos medios transmisores de señal conectados a los electrodos transmiten una señal de radiofrecuencia que porta las señales cardiacas detectadas por los electrodos.

Un artículo de L.N. Hulley y otros, titulado "Circuitos de alta impedancia de entrada para la medición de potenciales bioeléctricos", describe la medición de potenciales bioeléctricos usando electrodos con la forma de tubos de vidrio llenos de electrolito y circuitos de transistor bipolar. Esta referencia indica que es deseable una impedancia de entrada alta, definiendo tal impedancia como "al menos 1 G\Omega". Según se describe, se emplean circuitos seguidores de emisión múltiples porque muestran una buena estabilidad y bajo ruido. Tales circuitos son intrínsecamente de baja impedancia y, en consecuencia, se necesita arrancar una resistencia de polarización para lograr un incremento modesto en la impedancia de entrada desde 200 M\Omega hasta 1 G\Omega.

Otro artículo de H.J. Man y otros, titulado "Un seguidor de tensión de baja capacitancia de entrada en un tecnología MOS-bipolar de puerta de silicio compatible", se refiere al diseño de una etapa de entrada diferencia MOSFET de silicio protegida para un circuito integrado de transistor FET y bipolar combinado, por ejemplo para uso en mediciones de carga que tienen lugar en bioelectrónica. Describe un circuito seguidor de tensión con arranque de la capacitancia de entrada y una pantalla para el cable de entrada. La referencia concierne principalmente al mantenimiento de una respuesta de alta frecuencia para el amplificador. El amplificador es de ganancia unidad y la resistencia de polarización externa del valor más alto empleada es de 33 M\Omega.

El documento US-4801866 se refiere a la comprobación de circuitos y circuitos integrados empleando una unidad de sonda destinada a ser acoplada de manera capacitativa con un punto o patilla seleccionado de un circuito que se ha de comprobar. El sensor produce una salida digital como resultado de una diferenciación de la señal y del funcionamiento de un detector de umbral. Se emplean múltiples sondas, y señales procedentes de patillas adyacentes son sustraídas del potencial medido para eliminar señales no deseadas que se originan en sondas vecinas.

El documento US-3870968 se refiere a un electrómetro MOSFET dual en una configuración de amplificador diferencial de ganancia unidad, para uso en la medición de superficies sin contacto físico. Se proporciona una técnica de descarga de capacitancia electrónica con el fin de descargar carga acumulada en la circuitería de entrada. Esto se logra empleando un integrador para alimentar una tensión de compensación a un circuito de descarga manualmente conmutado con el fin de eliminar la tensión de desviación.

Un artículo de R.J. Prance y otros, titulado "Formación de imágenes VLSI sin contacto usando un microscopio de potencial eléctrico de exploración", describe un microscopio de potencial de exploración para medir potencial eléctrico por encima de la superficie de una muestra que esté siendo medida, usando una sola sonda alargada estacionaria posicionada por encima de una muestra situada sobre una mesa de motor de avance gradual de tres ejes. La referencia se centra en la formación de imágenes de los potenciales por encima de un circuito integrado activo tal como una muestra. Según se describe, el microscopio incluye un circuito intermedio de ganancia íntegra, una trayectoria para corriente de polarización de entrada de corriente continua, una red de arranque para aumenta la impedancia de corriente alterna de la componente de polarización y un sistema de guardia coaxial tradicional que rodea el electrodo alargado.

El documento EP-A-0551564 describe una sonda analógica/digital acoplada de manera capacitativa para comprobar tarjetas de circuito impreso, teniendo la sonda un cuerpo de sonda alargado, un circuito amplificador alojado dentro del cuerpo y circuitos de reconstrucción para la detección precisa de pulsos. A modo de ejemplo, se expone un transistor bipolar con capacitancia e impedancia de entrada declaradas de 5 pF y > 1,6 M\Omega. La mayor parte del texto está dedicada a minimizar la capacitancia parásita de la sonda y a garantizar que ésta se acople únicamente con la fuente de potencial más cercana a la punta.

Con el fin de crear un dispositivo de medición electrodinámico sensible, ha sido costumbre hasta ahora proporcionar una impedancia de entrada alta y reducir así la potencia de la señal de entrada necesaria para operarla. Sin embargo, los circuitos electrónicos con una impedancia de entrada muy alta tienden a ser inestables, por lo que los dispositivos prácticos son usualmente un compromiso entre proporcionar la impedancia de entrada deseada y lograr un grado aceptable de estabilidad.

Se ha diseñado un método de combinación de técnicas de circuito diferentes para lograr una mejora de varios órdenes de magnitud en sensibilidad, al tiempo que aún se mantiene una estabilidad suficiente para permitir que un operador relativamente inexperto realice mediciones en condiciones cotidianas.

La invención está dirigida a un sensor electrodinámico según la reivindicación 1 y al uso del sensor según las reivindicaciones 11, 15 y 16.

Se proporciona un sensor electrodinámico que comprende un par de sondas de entrada para detectar pequeños potenciales eléctricos que se originen en un objeto sometido a prueba y para generar señales de detección, y un electrómetro de impedancia de entrada alta que comprende un amplificador dispuesto para recibir las señales de detección y proporcionar señales de medición, caracterizado porque al menos una de dichas sondas está configurada para detectar una corriente de desplazamiento eléctrico y comprende un sustrato de electrodo que tiene sobre el mismo una delgada película de material aislante, y porque el sensor comprende además una disposición de polarización de entrada de corriente continua para proporcionar una corriente polarizada de entrada estable al amplificador, y una combinación de circuitos auxiliares para aumentar acumulativamente la sensibilidad de dicho electrómetro a dichos potenciales eléctricos pequeños sin perturbar el campo eléctrico asociado con los mismos, incluyendo los circuitos auxiliares un circuito de guarda que proporciona una pantalla que rodea dicho sustrato de electrodo y cableado de entrada para dicha sonda, excitándose dicho circuito de guarda por la salida de dicho amplificador y estando dispuesto para mantener el mismo potencial en dicha sonda que en dicha pantalla, y una disposición de realimentación que proporciona arranque y al menos una de entre neutralización, modulación de suministro y corrección de desviación para dicho amplificador.

Según un aspecto particular, se proporciona un sensor electrodinámico de esta clase para mediciones biométricas que incluye un electrómetro de impedancia de entrada alta que tiene un par de sondas para la detección de pequeños potenciales eléctricos procedentes de potenciales que se originan en un cuerpo sometido a prueba, en el que no existe contacto eléctrico directo entre al menos una de dicho par de sondas y dicho cuerpo. Ventajosamente, puede usarse dicho aparato para la medición de electrocardiogramas, electroencefalogramas o electrooculogramas.

La invención se describirá ahora particularmente con referencia a los dibujos anexos, en los que:

Las figuras 1 a 9 son diagramas de circuito explicativos que ilustran características de la invención;

La figura 10 es una sonda detectora usada en una realización especifica de la invención;

Las figuras 11 a 20 muestran mediciones obtenidas con sensores electrodinámicos según realizaciones específicas de la invención;

La figura 21 es un diagrama de bloques de un sensor electrodinámico según una realización particular de la invención;

La figura 22 es un diagrama esquemático de un aspecto particular de la invención;

La figura 23 es una fotografía de un electrodo específico;

Las figuras 24 a 28 muestran datos recuperados usando el electrodo de la figura 23;

La figura 29 es un diagrama de bloques de una realización adicional de la invención; y

La figura 30 muestra datos adquiridos usando este aparato.

Un electrómetro de impedancia alta basado en la presente invención incorpora una combinación compleja de técnicas de circuito. Emplea una serie de componentes independientes, algunos de los cuales pueden encontrarse en electrómetros de laboratorio comerciales.

Tomando un amplificador real como un amplificador perfecto A más una resistencia de entrada finita (R_{en}) y una capacitancia de entrada (C_{en}), esto da la disposición mostrada en la figura 1, en donde R_{en} y C_{en} pueden considerarse como límites (intrínsecos) internos debido al rendimiento del amplificador. Se asume que la ganancia de bucle cerrado es igual a uno.

En un circuito práctico, el dispositivo incorpora típicamente alguna forma de tarjeta de circuito impreso con cableado de entrada, etc. para que funcione. Estos introducirán otro término capacitativo C_{s} y posiblemente un término de fuga paralela R_{s}. El circuito se vuelve a dibujar (figura 2) poniendo R_{en} y C_{en} dentro del amplificador.

En la práctica, R_{s} puede despreciarse usualmente como muy alta (circuito casi abierto). En este caso, la contribución resistiva a la impedancia de entrada total está dominada por el requisito de proporcionar una corriente de polarización de entrada estable al amplificador. Esto garantiza que pueda mantenerse un punto de funcionamiento de corriente continua estable. De ahí que el requisito mínimo para un circuito estable sería la inclusión de una resistencia de entrada fija R (figura 3).

Con amplificadores de corriente de polarización de entrada baja modernos, el requisito de polarización es I_{b}\sim100fA, ofreciendo una tensión de desviación (V_{des}) de:

(Ecuación 1)V_{des} = I_{b} x R

Típicamente, V_{des} = 100fA x 100 G\Omega = 100 mV

El uso de resistencias de polarización de entrada > 100 G\Omega (si están disponibles o resultan prácticas) da como resultado tensiones de desequilibrio de muchos voltios con problemas asociados de deriva térmica debido al pobre coeficiente de temperatura de tales resistencias. Esto siempre ha presentado un problema para electrómetros convencionales.

Sin embargo, aún se requiere un componente de alta resistencia. Este usualmente adopta la forma de una resistencia de 100 G\Omega pero puede ser un componente alternativo tal como un diodo de fuga baja, por ejemplo Siliconix PAD1, una pequeña lámpara de neón acoplada a una fuente adecuada de iluminación (para controlar la resistencia) o el canal de un transmisor de efecto campo.

La impedancia de entrada del amplificador se mejora ventajosamente por una combinación de técnicas de realimentación.

Una técnica que ofrece un funcionamiento mejorado es la de guarda (figura 4). Esta es una técnica de realimentación positiva que implica rodear físicamente la circuitería, cableado y electrodo de entrada tan completamente como sea posible con una pantalla S excitada por la salida del amplificador. Se alivian efectos de carga sobre la capacitancia manteniendo el mismo potencial (potencial de señal) sobre la pantalla que sobre el electrodo de entrada, eliminando así la componente C_{s} parásita. En la práctica, esto no es perfecto, sino que produce una reducción del orden de 1/A_{0}, en donde A_{0} es la ganancia de bucle abierto del amplificador.

Puede aplicarse entonces arranque a un componente con el fin de aumentar la impedancia efectiva en la señal de frecuencia (figura 5). Esta también es una técnica de realimentación positiva. Al dividir la resistencia de polarización R en dos componentes R1 y R2, se utiliza un condensador C para aplicar la tensión de salida al punto medio, véase figura 5. De este modo, la tensión de entrada aparece en ambos terminales de la resistencia superior, dando como resultado un flujo de corriente cero y una impedancia infinita. En la práctica, existe un pequeño error, asociado de nuevo con la ganancia de bucle abierto, pero también con la atenuación causada por R_{2} y la constante de tiempo CR_{2}. Esta última impide que el arranque funcione por debajo de la frecuencia asociada con esta constante de tiempo.

Otra técnica de realimentación positiva es la neutralización, que puede usarse para abordar la impedancia de entrada intrínseca del amplificador (figura 6). Un pequeño condensador C_{n} (usualmente <1pF) se usa para introducir la señal de salida directamente en la entrada. Unas resistencias R3 y R4 y un potenciómetro R5 se emplean para establecer la neutralización a un nivel deseado. Con una geometría cuidadosamente controlada y fijada para el electrodo de entrada y estructura de guarda esto permite reducir a C_{en} en un factor de -1/A_{0}.

Los resultados de estas técnicas de estabilización pueden resumirse en la siguiente tabla.

TABLA 1

1

En una realización alternativa, se emplean unos bucles de estabilización de realimentación óptica en vez de un bucle de realimentación negativa de corriente continua. En esta disposición, se acopla un fotodiodo de baja fuga o una pequeña lámpara de neón a una fuente adecuada de iluminación (para controlar la resistencia) en lugar de la resistencia de entrada R.

En aún otra realización adicional, se usa un canal de transistor de efecto campo como una resistencia con compuerta para implementar la estabilización.

Con el fin de lograr la máxima sensibilidad, es deseable estirar cada técnica de realimentación hasta el límite empleando una geometría definida por la circuitería de entrada y combinando estas tres técnicas. Este procedimiento es totalmente singular dado que contraviene la práctica establecida. Se esperaría que el uso de estas técnicas de realimentación positiva en combinación en un amplificador creara inestabilidad en el funcionamiento.

Asociado con este enfoque, puede emplearse un paso adicional para lograr el objetivo de extraer el máximo beneficio de la combinación de técnicas de realimentación positiva. El problema principal con el aumento del nivel de realimentación positiva es que aparece inestabilidad, lo que lleva a oscilación o, más normalmente, a una deriva de corriente continua hasta que el amplificador se satura a la tensión del carril de suministro.

Preferiblemente, este problema se soluciona introduciendo un bucle de realimentación negativa de corriente continua para bajar a baja frecuencia C_{lp}1, R_{lp}1 - C_{lp}3, R_{lp}3 para estabilizar el punto de funcionamiento de corriente continua del sistema amplificando la tensión de salida, usando circuitos de filtro de paso bajo para eliminar todas las frecuencias de señal, y alimentar esta señal filtrada a la red de resistencia de polarización de entrada (es decir, en R_{2}). Esto se muestra en la figura 7, en la que la circuitería de guarda y neutralización se ha omitido con fines de claridad.

El resultado neto es un sistema con una impedancia de entrada extrema, \sim 10^{17}\Omega en paralelo con C \sim 10^{-15}F, el cual es estable en corriente continua cuando se opera un circuito abierto en el electrodo de entrada (es decir, en el límite de un acoplamiento capacitativo débil a una fuente).

Esta técnica es tan efectiva que es posible introducir una ganancia significativa dentro del primer amplificador de electrómetro de etapa. Esto produciría usualmente una inestabilidad extrema, pero con el bucle de realimentación en su sitio dentro del amplificador éste resulta estable y produce grandes reducciones en el ruido referido a la entrada. Típicamente, una ganancia de x10 reducirá el suelo de ruido en x10, una ganancia de x100 reducirá el suelo de ruido en x30. Tales reducciones de ruido únicamente son posibles con una gran ganancia, la cual en sí misma sólo es posible usando una técnica de realimentación aplicada a la red de polarización como se describió anteriormente.

Una disposición adicional para proporcionar la corriente de polarización de entrada se ha presentado como el resultado de un descubrimiento fortuito. Si se opera un amplificador sin provisión de polarización de corriente continua en la entrada, entonces la salida se derivará hasta que se sature en un carril de suministro (V^{+} o V^{-}). Esto puede ser negativo o positivo. Es una práctica usual polarizar amplificadores con tensiones simétricas, es decir V^{+} = V^{-}. Sin embargo, al polarizar asimétricamente, es posible, en muchos casos, invertir la dirección de la deriva. Se cree que el mecanismo de esto es que la corriente de polarización de entrada está equilibrada por corrientes de fuga en pastilla que se manipulan usando las tensiones del carril de suministro. Si se elige la asimetría de tensión correcta esto da como resultado una condición de funcionamiento operativo de corriente continua estable sin usar una componente de polarización en la entrada. Con el fin de garantizar que se mantenga la condición de funcionamiento estable, se incorpora al sistema de suministro de potencia un bucle de realimentación de corriente continua que responde a la deriva en la salida del amplificador. La dirección según la cual se mueven los carriles de suministro con el fin de contrarrestar la deriva puede ser seleccionada por el experto en la técnica según el amplificador específico elegido. El amplificador de realimentación A_{f}1, A_{f}2 puede ser inversor o no inversor según sea adecuado. La señal de error (desviación) se amplifica y se añade a los suministros V^{+} y V^{-} normales.

Puede usarse modulación de suministro (el arranque del condensador del dispositivo) como una alternativa a la neutralización para reducir la capacitancia de entrada (C_{en}).

No se muestra filtración alguna en la figura 8. Únicamente se realimentarían en realimentación negativa señales de corriente continua y baja frecuencia para estabilizar el electrómetro. Esta técnica también se puede usar para añadir (es decir, realimentación positiva) la señal a los carriles de suministro (modulación de suministro) como una implementación alternativa a la neutralización. En este modo la capacitancia (entrada) del dispositivo se elimina efectivamente arrancando los componentes de entrada activos del amplificador.

Una implementación alternativa de este esquema consiste en introducir la señal de corrección de desviación V_{des} a través de la patilla de ajuste de tensión de desviación (desviación nula) de la patilla de circuito integrado. La configuración exacta dependerá del amplificador seleccionado, pero, en general, tendría la configuración mostrada en la figura 9, en la que, como en la figura 8, todos los otros circuitos de realimentación se han omitido con fines de claridad.

El signo del amplificador de realimentación depende del amplificador particular y se selecciona para garantizar una realimentación negativa.

Para modulación de suministro se puede emplear realimentación tanto positiva como negativa. Puede usarse realimentación positiva con un filtro de paso alto como una técnica alternativa a la neutralización. Puede usarse realimentación negativa con un filtro/integrador de paso bajo como alternativa al bucle de estabilización de realimentación de corriente continua.

Los sensores electrodinámicos que incorporan estas mejoras de circuito encuentran una aplicación particular en la detección de actividad eléctrica del cuerpo humano. Éstos permiten que las sondas estén en contacto físico con el cuerpo humano al tiempo que mantienen un funcionamiento eléctricamente aislado no invasivo. El uso de estas sondas en los sensores novedosos permite que la actividad eléctrica en el cuerpo humano sea vigilada a alta resolución y con una baja contribución de ruido. Una aplicación particular es la producción de electrocardiogramas de alta resolución y la detección remota de actividad cardiaca humana a distancia de hasta 1,0 metros respecto del cuerpo.

Se vigilan rutinariamente potenciales espaciotemporales sobre la superficie del cuerpo humano con fines de diagnóstico médico mediante la aplicación de sondas eléctricas al cuerpo. Para la vigilancia del electrocardiograma (ECG), se aplican habitualmente electrodos metálicos a la piel con almohadillas adhesivas y se usa un gel de cloruro de plata para que actúe como transductor eléctrico con el fin de convertir el flujo de corriente iónica de la superficie de la piel en una señal que pueda ser detectada por un amplificador electrónico. ECGs de alta resolución, que son necesarios para fines de diagnóstico preciso, en donde, por ejemplo la identificación de la descarga de His-Purkinje es importante en su relación temporal con las despolarizaciones atrial y ventricular, únicamente pueden adquirirse en general usando técnicas intracardíacas en las que el biosensor se inserta dentro de una arteria mediante un catéter cardíaco.

La vigilancia de la actividad eléctrica del cerebro humano para producir un electroencefalograma (EEG) ha requerido hasta ahora múltiples conexiones eléctricas al cuero cabelludo que a menudo dan como resultado la retirada del pelo y tejido epidérmico. Los EEGs que pueden identificarse desde partes localizadas del cerebro requieren a menudo insertar en el paciente sondas de alambre subcutáneas. Las técnicas de uso corriente para la vigilancia de la actividad eléctrica humana tienen contacto eléctrico directo con el cuerpo, extrayéndose una corriente correspondiente desde la fuente (cuerpo). En esta situación siempre existirá la posibilidad de una modificación del potencial de la fuente, una distorsión de señal medida y un choque eléctrico al paciente. El desarrollo de un método verdaderamente no invasivo para detectar señales del cuerpo humano tiene muchas ventajas sobre las restricciones impuestas por las técnicas de uso corriente, esencialmente en lo que se refiere a la comodidad del paciente.

Los sensores electrodinámicos de impedancia de entrada alta según la presente invención permiten que la actividad eléctrica del cuerpo humano sea vigilada con sondas eléctricamente aisladas no invasivas usando un modo de contacto (contacto físico, eléctricamente aislado) o un modo remoto fuera del cuerpo (sin contacto físico).

Para una transferencia de señal eficiente desde el cuerpo hasta la primera etapa del amplificador de electrómetro se usa un acoplamiento capacitativo. En el caso de las sondas remotas (fuera del cuerpo) esta capacitancia está definida por el hueco de aire entre el cuerpo que se está midiendo y el sensor (típicamente un disco de 25mm hasta 200mm de diámetro) y se modifica ligeramente por cualquier material, tal como ropa, que pueda estar en el espacio del hueco de aire. La capacitancia de acoplamiento del modo remoto es típicamente menor de 1PF. Una impedancia de entrada incrementada y una capacitancia de entrada efectiva reducida del amplificador de electrómetro dan como resultado un acoplamiento más eficiente y de ahí una mayor relación señal-ruido. Preferiblemente, estos sensores electrodinámicos remotos utilizan las técnicas de realimentación y guarda descritas anteriormente. Para las sondas de contacto se usa un electrodo de acoplamiento fuertemente capacitativo (capacitancia grande) para realizar el contacto físico con el cuerpo que se está midiendo.

En una realización alternativa, se usa una gran capacitancia (>100nF) para acoplar el cuerpo que se está midiendo a un amplificador electrónico. Esto ofrece dos ventajas sobre el modo remoto. En primer lugar, el fuerte acoplamiento reduce o elimina la atenuación de señal debido a la capacitancia de entrada del amplificador y, en segundo lugar, se reduce la impedancia de fuente efectiva (la impedancia que la entrada de amplificador ve cuando mira en la fuente), reduciendo así la contribución de ruido de corriente del amplificador. La gran capacitancia requerida (y el aislamiento eléctrico) se produce usando un electrodo de disco con una película delgada de material aislante sobre la superficie de contacto. Se selecciona el grosor para proporcionar la capacitancia requerida, teniendo en cuenta el área superficial de electrodo y el material (sustrato) del disco del electrodo. Típicamente, el grosor es del orden de 1 \mum. Hemos usado películas de óxido anodizado, pero pueden utilizarse películas pulverizadas y evaporadas en realizaciones alternativas. Son materiales adecuados Al_{2}O_{3}, Nb_{2}O_{5}, Ta_{2}O_{5} y, muy comúnmente, TiO_{2}. En general, puede usarse una película de óxido, nitruro u otro material con una alta constante dieléctrica. Si se usa SiO_{2}, éste permitirá que el electrómetro sea fabricado sobre el mismo disco de sustrato de silicio. El electrodo de película delgada (figura 10) se incorpora en un conjunto con un sistema de guarda eléctrica y un amplificador eléctrico para producir una sonda activa completa. Ésta incorpora un disco 1 de electrodo que tiene una capa 3 de óxido superficial sobre un sustrato 5, conectado por un conductor, que tiene un sistema de guarda 7, a un amplificador 9.

La figura 10 representa un diagrama de una sonda de sensor activa típica para mediciones electrodinámicas corporales en modo de contacto. Se fabrica una capa de óxido sobre el sustrato de electrodo para formar un condensador que proporcione un fuerte acoplamiento eléctrico.

Unas sondas biosensoras para detección corporal electrodinámica pueden usarse alternativamente en un modo de detección por contacto eléctricamente aislado o en un modo de detección remota. Preferiblemente, el modo de contacto usa sondas únicas o múltiples en donde el acoplamiento de señal se realiza mediante unas sondas especialmente desarrolladas. El modo remoto usa preferiblemente una sonda fija que forma un acoplamiento capacitativo con el cuerpo sometido a medición. Aplicando redes de realimentación a un amplificador de entrada de transistor de efecto campo de bajo ruido se reduce el efecto de los requisitos de polarización, se incrementa la resistencia de entrada y se rebaja la capacitancia de entrada para emparejar eficientemente el amplificador con la fuente de señal. Esto da como resultado un carga mínima de la fuente y una operación de ruido bajo. Un trabajo reciente con un acoplamiento de la última generación de biosensores a los electrómetros ha producido unos niveles de ruido, referido a la entrada, inferiores a 100 nV/\surdHz a 1 Hz para un funcionamiento en modo de contacto.

Se muestra en la figura 11 un ejemplo de la aplicación de las sondas de sensor a la vigilancia del dominio temporal de la actividad eléctrica del cuerpo humano. La figura 11a muestra un ECG de alta resolución detectado desde la punta del dedo índice de la mano derecha usando un única sonda de contacto no invasiva eléctricamente aislada. En la figura 11b se muestra un ECG correspondiente detectado remotamente a una distancia de 5cm del pecho (a través de la ropa). La figura 11c muestra una señal correspondiente al pulso arterial que se detectó remotamente a una distancia de 30 cm del pecho (a través de la ropa). La figura 11d es una señal de referencia temporal derivada de un oxímetro de pulso de oxígeno saturado comercial (Ancho de banda de señal (a-c) = 2 Hz hasta 30 Hz).

La fidelidad de un ECG de una sola sonda estará limitada por ruidos corporales electromiográficos y esqueléticos que se pueden eliminar en gran medida usando una señal diferencial procedente de dos sondas. La figura 12 muestra un ejemplo de un electrocardiograma de alta resolución (HR-ECG) registrado desde las puntas de los dedos índices usando un par de las nuevas sondas de contacto, no invasivas, eléctricamente aisladas. El ECG de la figura 12 es equivalente, en terminología cardiológica, al conductor "I" en donde la señal se deriva de la diferencia entre los dos conductores de brazo ("LA"-"RA"). En este caso, el conductor "I" se deriva de la diferencia entre las señales de los dedos izquierdo y derecho. El ECG muestra el carácter usual de un ECG de alta resolución, es decir, la onda P, el complejo QRS y la onda T. Las puntas de los dedos índices de cada mano fueron colocadas sencillamente sobre unos biosensores independientes y se mostró la señal diferencial (izquierda-derecha). La señal diferencial (izquierda-derecha) muestra las características usuales de un HR-ECG, es decir, la onda P, el complejo QRS y la onda T. Además, este HR-ECG muestra características que se corresponden con eventos con menos probabilidades de aparecer en un ECG convencional de 3 conductores o de 12 conductores - picos correspondientes a las posiciones de la descarga His-Perkinje (H) y la onda U.

Usando unos biosensores remotos según una realización particular de la presente invención, el latido cardiaco humano ha sido detectado a distancias de hasta un metro de alejamiento de un cuerpo vestido. Disponiendo un par de sensores remotos con un metro de separación, con el cuerpo humano entre los sensores, se detecta una señal correspondiente al pulso arterial, según muestra en la figura 13.

Múltiples sondas dispuestas en áreas dimensionales lineales o superiores pueden usarse para producir perfiles o mapas lineales potenciales dinámicos que midan y muestren la actividad eléctrica sobre la superficie de un cuerpo o desde órganos corporales internos. Por ejemplo, la señal ECG puede detectarse simultáneamente desde un número de sondas dispuestas en una formación de área (x,y) en contacto con la superficie del pecho. Estas señales de ECG pueden usarse posteriormente para proporcionar una presentación dinámica en tiempo real del potencial eléctrico sobre el área x,y que, en el caso del ECG, muestra una imagen dinámica de la actividad eléctrica en el corazón - el corazón en funcionamiento. Cuando se usan formaciones de sensor remotas fuera del cuerpo la presentación es similar, pero tendrá la información de distancia y angular para permitir que se determine la fuente de la actividad eléctrica usando una técnica de transformación inversa. Una combinación de formaciones de sensor de contacto y remotas fuera del cuerpo puede usarse para producir mapas electrodinámicos de áreas diferentes sobre la superficie del cuerpo y a profundidades diferentes dentro del tejido corporal.

La naturaleza escalable de esta tecnología permite el funcionamiento con una amplia gama de capacitancias de acoplamiento entre el sensor y la fuente de la señal. Esto significa que la sonda puede tener una gama amplia de distancias de separación respecto de la superficie de la muestra que se está midiendo. Por ejemplo, puede usarse un sensor para adquirir mapas electrodinámicos desde arriba de la superficie de un circuito integrado activo. Puede hacerse que una sola sonda explore la superficie para adquirir los datos, por ejemplo, según un patrón de exploración tramado. Alternativamente, una formación de sondas puede usarse para adquirir simultáneamente datos. Puede hacerse que sondas individuales o formaciones multidimensionales exploren una superficie para proporcionar una reducción significativa del tiempo de adquisición de datos. Igualmente, puede usarse una formación individual o multidimensional para adquirir simultáneamente datos en tiempo real sin el requisito de mover las sondas o la
muestra.

Deberá observarse que aunque las estructuras de electrodo con guardas tienen una naturaleza típicamente coaxial, éstas pueden adoptar otras formas, particularmente con microsondas. El objetivo es proporcionar la acción de guarda más completa posible. Con unos electrodos de película delgada miniaturizados, una realización tendrá una configuración planar triplaca, con el electrodo de medición emparedado entre dos planos de guarda.

Realizaciones adicionales de la invención permiten que la actividad eléctrica del cuerpo humano sea vigilada usando sensores no invasivos, eléctricamente aislados y, en algunos casos, sin contacto. Las señales que se puede medir incluyen el electrocardiograma (ECG), el electroencefalograma (EEG) y el electrooculograma (EOG). En la práctica presente, el EOG es vigilado usando electrodos que se colocan alrededor del ojo, insertándolos bajo la piel o en contacto eléctrico con la piel mediante un pasta electrolítica. Hemos usado cuatro sensores, un par para detectar el movimiento del globo ocular de izquierda a derecha y un par para detectar el movimiento de arriba abajo. Unos electrodos están posicionados preferiblemente en los lóbulos de la sien frontal, por encima y por debajo de los ojos. Los sensores EOG están en contacto físico seco con la superficie de la piel y están aislados eléctricamente del cuerpo. Las figuras 14-16 muestran ejemplos del uso de estos sensores para medir las desviaciones del potencial corneo-retinal mientras el globo ocular se mueve con respecto a la cabeza. En los ejemplos mostrados el movimiento angular del ojo es de aproximadamente \pm20º.

La figura 14 muestra señales de EOG de sensores X e Y que muestran desviaciones de tensión que resultan de los movimientos de izquierda a derecha y de arriba abajo (R=derecha, L=izquierda, U=Arriba, D=abajo y C=centro). La figura 15 muestra señales de EOG de sensores X e Y que muestran desviaciones de tensión que resultan de movimientos oculares diagonales (UL=arriba hacia la izquierda, UR=arriba hacia la derecha, DR=abajo hacia la derecha, DL=abajo hacia la izquierda y C=centro). La figura 16 muestra señales de EOG de sensores X e Y que muestran desviaciones de tensión que resultan de dos periodos separados de parpadeo repetitivo de los ojos.

En aún otra realización, se vigila un EEG desde la parte posterior del cerebro en la región del lóbulo occipital. En esta realización, la sonda de sensor usada fue de tipo de entrada diferencial portátil que usa dos sensores, cada uno de ellos de 25 mm de diámetro. Los sensores hacían contacto físico, pero no contacto eléctrico directo, con la superficie de la cabeza y no se realizó preparación especial alguna en el cuero cabelludo, recogiéndose las señales a través del pelo. Los sensores se colocaron aproximadamente en las posiciones "P3" y "Q1", referidas al sistema estándar internacional "10-20". Preferiblemente, se usó un gel no alergénico, acuoso, no electrolítico para reducir el ruido estático del pelo (efecto triboeléctrico) y para mejorar el acoplamiento debido a que es químicamente inerte y tiene una alta constante dieléctrica.

La figura 17 es una señal de dominio temporal de 10 s de datos de EEG recogidos de la superficie de la cabeza en la región posterior. La forma de onda de EEG hacia la izquierda muestra la onda alfa que está presente cuando los ojos del sujeto están cerrados, pero que está "bloqueada" cuando los ojos están abiertos.

La figura 18 es una forma de onda de EEG recogida a través del pelo desde la parte posterior de la cabeza que muestra un bloqueo alfa. La ventana inferior muestra aproximadamente 23 s de datos de EEG junto con un marcador de eventos que muestra el estado de los ojos del sujeto (EC=ojos cerrados, EO=ojos abiertos). Pueden verse claramente los cambios en la amplitud de la forma de onda de EEG cuando los ojos están abiertos y cerrados. La ventana superior es una gráfica conjunta de frecuencia-tiempo (JTF) para los mismos datos de EEG que muestra que durante el periodo de ojos cerrados el EEG consiste predominantemente en una onda alfa de aproximadamente 10 Hz que desaparece cuando los ojos están abiertos.

La figura 19 muestra espectros de potencia correspondientes a las formas de onda de EEG de las figuras 17 y 18. El espectro de potencia superior se refiere al período de "ojos cerrados" y el espectro de potencia inferior se refiere al período de "ojos abiertos". Los datos muestran un pico (ritmo alfa) a aproximadamente 10 Hz durante el período de "ojos cerrados", el cual desaparece en el momento en el que se produce un bloqueo alfa cuando los ojos están abiertos. El eje X es la frecuencia en Hz. La figura 20 es una gráfica Conjunta de Frecuencia-Tiempo de la forma de onda de EEG de la figura 18 representada como un mapa en color tridimensional. Esta muestra el ritmo alfa predominantemente de 10 Hz que tiene lugar durante el periodo en el los ojos del sujeto están cerrados y que desaparece cuando los ojos están abiertos.

Se conoce muy bien que el ritmo alfa (8-14 Hz) es más prominente cuando el sujeto está descansando con los ojos cerrados. Cuando los ojos están abiertos el ritmo alfa normalmente desaparece, siendo reemplazado por ritmos beta (14-35 Hz) - un fenómeno denominado bloqueo alfa. La observación de este bloqueo alfa indica que el EEC está siendo, de hecho, vigilado.

En una realización específica adicional, se usan sensores electrodinámicos montados en la muñeca para lograr una vigilancia electrocardiográfica ambulatoria de alta resolución. Se puede adquirir un electrocardiograma de alta resolución usando dos de estos sensores montados a la manera de un reloj de pulsera, uno en cada muñeca. Estos sensores, que no requieren una trayectoria conductora de corriente verdadera para funcionar, se usan de manera no invasiva sin hacer contacto eléctrico directo con el sujeto. Además de su capacidad de alta resolución, estos sensores tienen ventajas principales sobre los monitores actuales de ritmo cardiaco de estilo reloj de pulsera usados en los campos de la salud y del mantenimiento en forma. Además, su sensibilidad y bajo suelo de ruido hacen posible la detección de un pico que se corresponda, en cronometraje, con la despolarización del fascículo de His - una característica que normalmente no ve en electrocardiogramas superficiales convencionales. Estos nuevos dispositivos encuentran una aplicación particular en medicina clínica, así como en vigilancia deportiva y ambulatoria.

Se ha desarrollado un esquema de conexión estandarizada para el electrocardiograma porque éste se usa rutinariamente en entornos clínicos para diagnosis (véase Webster J.G. (ed) 1988. Instrumentación Médica - Aplicación y Diseño (John Wiley & Sons Inc, Nueva York)). Esta estandarización se denomina sistema de 12 conductores, en donde cada conductor se refiere a una combinación particular de posiciones de electrodo en el cuerpo y a la presentación de una señal específica derivada de una combinación de señales de estos electrodos. Preferiblemente, para el sistema de vigilancia de sensor electrodinámico de estilo reloj de pulsera de la presente realización específica, se lleva un sensor en cada muñeca y se usa la señal diferencial (izquierda-derecha) para la presentación. Esto es equivalente, en terminología de 12 conductores estándar, al electrocardiograma de conductor I (definido como LA-RA) y se detecta usualmente en electrodos situados en los hombros o parte superior de los brazos. La alta fidelidad del presente electrocardiograma de conductor I obtenido de las puntas de los dedos o de las muñecas es debida, en parte, a la naturaleza no invasiva del sensor electrodinámico y, en parte, a la alta sensibilidad y bajo ruido del amplificador de electrómetro usado en su construcción.

Al igual que las aplicaciones de vigilancia clínica (ambulatoria) del electrocardiograma de conductor I, este sensor electrodinámico de estilo reloj de pulsera también encuentra aplicación en la vigilancia general de ritmo cardiaco. Esta variante del sensor electrodinámico tiene dos ventajas principales sobre monitores de ritmo comerciales actuales de estilo reloj de pulsera usados en los campos de la salud y del mantenimiento en forma.

Una vigilancia precisa del ritmo cardiaco es esencial en el entrenamiento de mantenimiento en forma y la precisión (en latidos por minuto) se basa en lo bien que pueda identificarse una característica repetitiva (por ejemplo, el complejo QRS) y la precisión con la que pueda registrarse el tiempo entre tales características. La precisión de muchos monitores de ritmo cardiaco comerciales se determina comparando el ritmo medido con una referencia de electrocardiograma y será claro para un experto en la técnica que el uso de un sistema sensor que proporcione un electrocardiograma de alta resolución daría una determinación más precisa del ritmo cardiaco. La naturaleza de alta sensibilidad y no invasiva del presente sensor electrodinámico, con la capacidad de detectar a alta resolución las características conocidas de un electrocardiograma (en este caso solo por las muñecas), sería ideal para esta finalidad.

Una segunda ventaja de usar un sistema sensor electrodinámico sobre monitores de ritmo cardiaco actuales es la de comodidad y conveniencia. Con el fin de recoger una señal cardiaca con una fidelidad suficiente para poder determinar ritmos precisos, la mayoría de los monitores comerciales emplean electrodos que hacen contacto cutáneo con el pecho. El monitor de reloj de pulsera basado en un sensor de potencial eléctrico actúa no sólo como electrodo (no invasivo), sino que también aloja la electrónica de detección y amplificación de la primera etapa. El sensor electrodinámico se sujeta firmemente en su sitio sobre la muñeca por medio de una correa adecuada usando fijadoras de tipo de ganchos y bucles (Véase la figura 23).

El sensor electrodinámico de la presente invención funciona detectando la corriente de desplazamiento eléctrica, en vez de la corriente de carga verdadera, de modo que no requiere contacto eléctrico directo con la fuente. Por ello, éste es de naturaleza no invasiva y completamente biocompatible. Asimismo, tiene una impedancia de entrada extremadamente alta (10^{15} \Omega a 1 Hz) y un suelo de ruido muy bajo (\approx70 nV/\surdHz a 1 Hz), lo cual lo hace ideal para aplicaciones de electrocardiograma. El sensor electrodinámico se usa en dos configuraciones eléctricamente aisladas; un modo de detección de contacto y un modo remoto fuera de cuerpo. En el modo de contacto, en donde la sonda está en contacto mecánico con el cuerpo, se acoplan sondas sencillas o múltiples mediante un interfaz cuerpo-sensor adecuado. En el modo remoto, con un hueco de aire entre la sonda y el cuerpo, se usan sondas fijas que forman un acoplamiento capacitativo con el cuerpo sometido a medición. Se muestra en la figura 21 un diagrama de bloques de un sensor electrodinámico típico. Esta figura muestra un electrodo de sensor 21, que tiene una guarda 22, y un amplificador 23 con un bucle de realimentación 24 desde la salida OP hasta la entrada IP. En este sistema de circuito se han aplicado técnicas novedosas de realimentación a un amplificador de electrómetro de bajo ruido con el fin de aumentar su impedancia de entrada efectiva y reducir su capacitancia de entrada. Para la vigilancia ambulatoria de electrocardiograma de rimo cardiaco, se detectan las señales de electrocardiograma usando dos sondas, una fijada a cada una de las muñecas del sujeto. El sistema usado para la adquisición y presentación de datos se muestra esquemáticamente en la figura 22. Aquí, la salida de tensión desde los dos sensores 31, 32 se alimenta a un amplificador diferencial 33, seguido por unos filtros analógicos 34, antes de ser digitalizada e interconectada a un ordenador portátil 35 a través de una tarjeta de interfaz PCMCIA 36. El sistema usa un conversor analógico a digital de 16 bits que proporciona una resolución de tensión de aproximadamente 16 nV, referido de la fuente. La tasa de muestreo usada es típicamente de 1000 muestras/s, lo que da una resolución temporal cercana a 1 ms. Si se requiere, esta tasa de muestreo puede aumentarse considerablemente (es decir, de hasta \approx 5000 a 10.000 muestras/s) con una mejora concomitante de la resolución temporal. Todo el sistema se alimenta desde la red de electricidad o desde baterías, según se requiera. El sensor electrodinámico de estilo reloj de pulsera usa una área activa de 25 mm de diámetro y se fija por medio de una correa de reloj estándar de 18 mm de ancho, según se muestra en la fotografía de la figura 23. El área activa del sensor está aislada eléctricamente del cuerpo.

La figura 24 muestra la densidad espectral del ruido de un sensor electrodinámico de estilo reloj de pulsera según la presente realización, mostrando un suelo de ruido de aproximadamente 70 nV/\surdHz a 1 Hz. Aunque la densidad espectral de ruido es un indicador muy bueno del suelo de ruido en función de la frecuencia, a menudo es más útil expresar el ruido como ruido total en un ancho de banda dado. El ruido total representado frente al ancho de banda se muestra en la figura 25. Para un ancho de banda de 30 Hz (usado para obtener los electrocardiogramas de esta realización) este ruido total, referido a la entrada es de aproximadamente 200 nV en valor eficaz. Para poner en perspectiva este ruido integrado, la amplitud de un complejo QRS normal en un electrocardiograma de conductor I es aproximadamente de 1 mV y la amplitud de la despolarización del fascículo de His en la superficie cutánea es de aproximadamente 10-20 \muV de pico a pico.

Se muestra en la figura 26 un ejemplo de un electrocardiograma de alta resolución obtenido usando un par de sensores electrodinámicos montados en alojamientos de estilo reloj de pulsera. Esta señal de dominio temporal es equivalente en terminología cardiológica al conductor I, en donde la señal se deriva de la diferencia entre los dos conductores de brazo (LA-RA). En este caso, el conductor I se deriva de la diferencia entre las señales de las muñecas izquierda y derecha. La señal se registró en tiempo real en un ancho de banda de 0,5 a 30 Hz, sin promediado u otro procesamiento electrónico. Los cinco segundos de datos mostrados en la figura 26 contienen cinco ciclos cardiacos y muestran seis complejos QRS. El ritmo cardiaco se determina por medición de los periodos de tiempo entre los picos R y, en este caso, el ritmo cardiaco medio es de 64 latidos por minuto. La figura 27 muestra un período de dos segundos de un electrocardiograma de conductor I obtenido a partir de un par de sensores electrodinámicos de estilo reloj de pulsar. Éste tiene todas las características habituales de un electrocardiograma de alta resolución (la onda P, el complejo QRS y la onda T). Además, este electrocardiograma también contiene características que no se ven habitualmente en un electrocardiograma superficial convencional (señales detectadas sobre la superficie del cuerpo). Estas características (el pico H y la onda U) están marcadas en la figura 28, en donde se representa aproximadamente un ciclo cardiaco del electrocardiograma (un segundo de datos) con un escala de tensión expandida para revelar el detalle fino presente en la forma de onda. El pico H se corresponde en temporización con la posición de la despolarización del fascículo de His respecto de las características P y R.

En la práctica clínica, la despolarización del fascículo de His se vigila habitualmente usando un catéter de electrodo insertado por vía intravenosa en el corazón, denominándose la presentación del dominio temporal resultante como electrocardiograma intracardiaco del fascículo de His. En este registro intracardiaco las ondas A y V se corresponden, respectivamente, con la onda P y el complejo QRS del electrocardiograma superficial. El pico H tiene lugar entre las ondas A y V. En sujetos normales el intervalo A-H es de entre 55 ms y 120 ms y el intervalo H-V es de entre 35 ms y 55 ms. La medición de los intervalos A-H y H-V puede indicar muchas variedades de enfermedades cardiacas. Los intervalos A-H y H-V no pueden medirse en el electrocardiograma superficial y el pico H se ha identificado previamente sólo en la superficie usando un gran número de electrodos con promediado espacial de las señales resultantes. Al identificar el pico H usando el sensor descrito en esta realización, hemos extendido las capacidades clínicas del electrocardiograma superficial hasta una vigilancia más rutinaria de los intervalos P-H (equivalente a A-H) y H-R (equivalente a H-V). El electrocardiograma mostrado en la figura 28 da a un intervalo P-H de \approx70 ms y un intervalo H-R de \approx50 ms.

Los sensores electrodinámicos según la presente invención encuentran aplicación particular en telemetría remota. Convenientemente, esta se puede lograr separando físicamente los sensores 41, 42 de la electrónica siguiente 43 y de la presentación con los dos subsistemas que comprenden un transmisor 44 y un receptor 45 acoplados conjuntamente por medio de un enlace de radio. Se dispone comercialmente de transmisores y receptores de radio adecuados, compactos y baratos en Low Power Radio Solutions, Quantec Group, U.K. Ltd. (Two Rivers Industrial Estate, Station Lane, Witney, Oxon, OX8 6BH). Éstos se han utilizado en una realización específica para transmitir formas de onda de electrocardiograma (derivadas de los sensores electrodinámicos diferencialmente configurados) desde el cuerpo hasta un sistema remoto de receptor de radio y de presentación, según se muestra en el diagrama de bloques de la figura 29. Aquí, la separación transmisor-receptor fue típicamente de 1 a 10 metros, pero bien podría ser más de 10 veces esa distancia. El transmisor modulado en frecuencia seleccionado tenía un frecuencia (portadora) central de 418 MHz (frecuencia ultra alta - UHF) y los sensores y transmisores funcionaban con batería. La figura 30 ilustra un electrocardiograma típico registrado usando este sistema de vigilancia, obtenido a una tasa de muestreo de 1000 muestras/s.

La sensibilidad y el rendimiento de bajo ruido de los sensores electrodinámicos según la invención permiten su aplicación a formaciones de alta resolución espacial (gran número de elementos) que pueden usarse para formar imágenes en tiempo real de la actividad eléctrica del corazón. El experto en la técnica sustituirá rápidamente por unos sensores electrodinámicos de la presente invención los electrodos de pasta de Ag/AgCl convencionales en un sistema de registro de electrocardiograma estándar (12 conductores), con sensores reutilizables mantenidos en posición mediante un arnés o chaleco diseñados adecuadamente.

Hemos identificado, en el electrocardiograma superficial, un pico (H) que se corresponde en temporización con la posición de la despolarización del fascículo de His. Esta característica no es visible en el electrocardiograma superficial estándar y se ha utilizado clínicamente sólo cuando se vigila usando un catéter de electrodo intracardiaco insertado por vía intravenosa en el corazón. Dada la importancia clínica de medir la temporización de la despolarización del fascículo de His respecto a otras características del registro intracardiaco, la capacidad de vigilar este pico H en el electrocardiograma superficial es muy beneficiosa.

Entre otras, los sensores electrodinámicos según la presente invención pueden usarse ventajosamente en las siguientes aplicaciones.

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ECG - \underbar{Vigilancia ambulatoria de plazo largo} - usando sondas de contacto inertes para proporcionar al paciente una comodidad mejorada y para eliminar una reacción cutánea

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\underbar{Formación de imágenes en matriz} - formaciones lineales o en 2D de sensores para proporcionar información espacio-temporal obteniendo simultáneamente datos de muchos puntos

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\underbar{Sondas de catéter} - pueden incorporarse sensores de electrómetro en un entubado de catéter para uso intravenoso, o puede aplicarse una señal en la punta de un catéter aislado y puede localizarse la posición usando una formación pasiva de sensores

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EGG - \underbar{Vigilancia ambulatoria de plazo largo} - usando sondas de contacto inertes para proporcionar al paciente una comodidad mejorada y para eliminar una reacción cutánea

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\underbar{Formación de imágenes en matriz} - formaciones lineales o bidimensionales de sensores para proporcionar información espacio-temporal obteniendo simultáneamente datos de muchos puntos

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\underbar{Interfaces de máquina} - uso de señales de EEC para implementar funciones de control directamente y/o aplicar biorrealimentación

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EOG - \underbar{Interfaces de máquina} - uso de señales de EEC para implementar funciones de control directamente y/o aplicar biorrealimentación, por ejemplo juegos de ordenador y control de vehículos

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Señales biodinámicas musculares nerviosas (EMG) y otras -

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\underbar{Miembros artificiales} - uso de sensores de manera individual o uso de configuraciones múltiples o en formación para detectar señales nerviosas y/o musculares y para implementar directamente funciones de control

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\underbar{Robótica} - detección remota en modos activo o pasivo para aplicaciones de detección o de control de proximidad

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\underbar{Interfaces de máquina} - uso de señales nerviosas y/o musculares para implementar directamente funciones de control y/o aplicar biorrealimentación

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\underbar{Tomografía de impedancia} - usando un acoplamiento de señal de entrada inductivo o capacitativo junto con sensores de electrómetro se puede lograr una implementación eléctricamente aislada de tomografía de impedancia

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Detección remota -

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\underbar{Prospección geofísica} - detección remota de gradientes potenciales, anomalías dieléctricas y señales magnetotelúricas de significado geológico, incluyendo la vigilancia de efectos ionosféricos, tal como la resonancia de Schumann

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\underbar{Detección de grietas y de corrosión de estructuras metálicas} - exploraciones de potencial superficial de superficies metálicas para revelar defectos mediante discontinuidades en conductividad o densidad de corriente provocadas por defectos de grietas o de corrosión en, por ejemplo, piezas de aeronaves

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\underbar{Detección de movimiento} - detección de movimiento de objetos dieléctricos en un campo eléctrico estático

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\underbar{Predicción de terremotos} - vigilancia de tensiones generadas por rocas bajo esfuerzo, por ejemplo piezoeléctrico. Existen evidencias que indican que las señales piezoeléctricas pueden ser precursoras de eventos importantes de terremotos

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Determinación de constante dieléctrica -

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\underbar{Mediciones capacitativas remotas} - puede usarse un acoplamiento capacitativo débil para determinar las propiedades dieléctricas de materiales, incluyendo el factor de pérdida, sin los problemas debidos a la polarización de electrodos habitualmente encontrados en mediciones de baja frecuencia

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\underbar{Mediciones de mezclas} - pueden realizarse mediciones capacitativas en sistemas o mezclas líquidos por inmersión de electrodos aislantes. Mediante este método pueden determinarse las propiedades dieléctricas sin problemas de polarización de electrodos. Esto es particularmente aplicable a, por ejemplo, mezclas de aceite, agua y arena

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Aplicaciones microscópicas -

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\underbar{Exploración de superficies de circuitos integrados} - formación de imágenes de potenciales superficiales por encima de circuitos integrados, que procuran información sobre niveles de señal y propagación en tiempo real, polarización de corriente continua, propiedades dieléctricas y estructuras enterradas. Pueden fabricarse microsondas o formaciones de microsondas para proporcionar imágenes en tiempo real

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\underbar{Transductor de salida} - uso como sistema de lectura de señal que puede integrarse en pastillas de circuito complejas tales como dispositivos electroópticos y sistemas futuros de procesamiento de información cuántica y de computación cuántica

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\underbar{Formación remota de imágenes de redes neuronales} - detección sin contacto en tiempo real de señales y propagación de señal dentro de redes neuronales

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\underbar{NMR, NQR} - el uso de microsondas para detectar el campo eléctrico local dependiente del tiempo que resulta de NMR o NQR. Esta técnica evita la interferencia habitualmente encontrada entre las bobinas receptora y transmisora. Se facilita la formación de imágenes de alta resolución usando microsondas eléctricas

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\underbar{Biología de célula única} - puede vigilarse la actividad eléctrica al nivel celular usando microsondas. Se elimina la polarización de electrodo

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\underbar{Fibra nerviosa/muscular única} - puede lograrse la vigilancia de la actividad eléctrica debida a fibras nerviosas única usando microsondas o formaciones de microsondas, por ejemplo interfaces de máquina y control de miembros artificiales

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\underbar{Tarjeta inteligente} - lectura sin contacto de pastillas de circuito de tarjetas inteligentes, las cuales, acopladas con energía inductiva o capacitativa y señales de entrada de reloj, eliminarían la necesidad de conexiones eléctricas directas

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\underbar{Vigilancia de estado corporal} - puede incluir electrodos sin contacto eléctrico directo, pero ofreciendo una salida para la finalidad rápida de vigilar el grado de consciencia, el sueño o el estado del corazón de pilotos, conductores u otras personas que realizan funciones críticas. Las señales de salida también podrían usarse para identificación biométrica de individuos o para realizar la función de un polígrafo o detector de mentiras.

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Se comprenderá bien por los versados en la técnica que puede sustituirse un integrador por un filtro de paso bajo y que puede sustituirse un filtro de paso bajo por un filtro de paso bajo pasivo. Pueden emplearse amplificadores discretos en lugar de amplificadores de circuito integrado.

Los sensores según la invención pueden ir ventajosamente desde una nanoescala hacia arriba.

Será evidente para los expertos en la técnica que las sondas no tienen que ser necesariamente idénticas.

Aunque se ha descrito el uso de sensores electrodinámicos con relación a la medición de electrocardiogramas, encefalogramas y similares, aquéllos pueden adaptarse a la medición de otra actividad eléctrica de un cuerpo vital.

Claims (16)

1. Un sensor electrodinámico que comprende un par de sondas (1, 21) de entrada para detectar pequeños potenciales eléctricos que se originen en un objeto sometido a prueba y para generar señales de detección, y un electrómetro de impedancia de entrada alta que comprende un amplificador (9, 23) dispuesto para recibir las señales de detección y proporcionar señales de medición, estando configurada dicha sonda para detectar una corriente de desplazamiento eléctrica y comprendiendo un sustrato (5) de electrodo que tiene sobre el mismo una delgada película (3) de material aislante, y comprendiendo el sensor, además, una disposición de polarización de entrada de corriente continua (R; R1, R2; AF1, AF2) para proporcionar una corriente de polarización de entrada constante al amplificador y para garantizar un punto operativo de corriente continua, un bucle de realimentación negativa de corriente continua a baja frecuencia que coge señales de medición amplificadas, elimina frecuencias de señal y alimenta una señal estabilizadora filtrada en paso bajo a la disposición de polarización de entrada, un circuito de guarda (22) que proporciona una pantalla que rodea dicho sustrato de electrodo y cableado de entrada para dicha sonda, excitándose dicho circuito de guarda por la salida de dicho amplificador y estando dispuesto para mantener el mismo potencial en dicha sonda que en dicha pantalla, y una disposición de realimentación que proporciona arranque de una resistencia de polarización y neutralización al introducir la señal de salida en la entrada mediante un condensador, actuando conjuntamente dicho circuito de guarda, arranque y neutralización para aumentar la sensibilidad de dicho electrómetro a dichos potenciales eléctricos pequeños sin perturbar el campo eléctrico asociado con los
mismos.

2. Un sensor electrodinámico según la reivindicación 1, caracterizado porque el amplificador está polarizado asimétricamente.

3. Un sensor electrodinámico según cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque dicha sonda comprende un electrodo de disco con dicha película delgada de material aislante, porque dicha película delgada comprende una película de óxido anodizada y porque el grosor de la película de óxido se selecciona según el área superficial del electrodo de disco y el material del electrodo de disco para proporcionar la capacitancia requerida.

4. Un sensor electrodinámico según la reivindicación 3, caracterizado porque el grosor de dicha película delgada es del orden de 1 \mum.

5. Un sensor electrodinámico según cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque dicha sonda comprende un electrodo de medición emparedado entre dos planos de guarda en una configuración triplaca.

6. Un sensor electrodinámico según cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque dicho par de sondas está conectado al amplificador de tal manera que se utilice una señal diferencial procedente de las dos sondas para reducir el efecto de señales de ruido no deseadas.

7. Un sensor electrodinámico según cualquier reivindicación precedente, caracterizado por sondas múltiples, dispuestas según una formación dimensional lineal o superior.

8. Un sensor electrodinámico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicha sonda es una sonda de exploración para explorar un área dimensional lineal o superior.

9. Un sensor electrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la disposición de realimentación proporciona adicionalmente modulación de suministro.

10. Un sensor electrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la disposición de realimentación proporciona adicionalmente corrección de desviación.

11. Un sistema de detección biométrico para detección no invasiva de actividad eléctrica de un cuerpo vital, que comprende un sensor electrodinámico según cualquier reivindicación precedente.

12. Un sistema de detección biométrico según la reivindicación 11, caracterizado porque el sensor electrodinámico tiene la forma de un reloj de pulsera (31, 33).

13. Un sistema de detección biométrico según la reivindicación 11 o 12, caracterizado por unos medios de procesamiento (35) para producir perfiles o mapas dinámicos de líneas de potencial con el fin de medir o presentar la actividad eléctrica sobre la superficie del cuerpo o de un lugar situado dentro del mismo.

14. Un sistema de detección biométrico según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por un transmisor (44) dispuesto para transmitir señales de salida de sensor desde el sensor electrodinámico, y un receptor (45) dispuesto para recibir las señales transmitidas y para suministrar tales señales a un ordenador (43).

15. Un monitor de estado corporal que incluye un sensor biométrico según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14 para medir electrocardiogramas, electroencefalogramas o electrooculogramas.

16. Un dispositivo de formación de imágenes en matriz que incluye un sensor electrodinámico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.