Práctica 2: Laboratorio de tecnologías biomédicas

1. Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey
Campus Guadalajara
Ingeniería Biomédica
Práctica 2
Sistema de Monitoreo de Bioimpedancia
Laboratorio de Tecnologías Biomédicas
Autor:
Luz Adriana Páramo Fiscal (A01631996)
Dra. Rita Quetziquel Fuentes Aguilar
Miércoles 8 de abril de 2020

2. 1. Resumen
El presente trabajo comprendió el diseño y la simulación de un sistema de medición
de bioimpedancia. Para esto, se diseñó un circuito de inyección de corriente que
comprende un oscilador senoidal con un rango de frecuencia de 5 Hz a 10,000 Hz, y
una fuente de Howland que entrega una corriente constante de 10μA (a la misma
frecuencia que el oscilador). De igual forma, se utilizó un modelo eléctrico de piel
para simular la impedancia de la misma; este circuito se conectó como la carga de la
fuente de Howland. Una vez completado el sistema de inyección de corriente se
variaron los valores de impedancia de la piel y de frecuencia de la corriente
(frecuencia del oscilador senoidal) para identificar los rangos en los que la corriente se
mantenía estable y segura. Con estos rangos de frecuencia y bioimpedancia se diseñó
un detector de ventana con un voltaje de referencia de ± 5.15 mV, de forma que se
pudo detectar cuando un voltaje en la fuente de Howland era mayor al umbral.
Finalmente, se realizaron tres pruebas utilizando datos contenidos en las tablas 2 y 3,
para las cuales se verificó el voltaje de Howland obtenido previamente y la
permanencia de los umbrales.
2. Objetivos
2.1. Objetivo general
Diseñar, construir y evaluar un sistema bipolar de registro de cambios de
bioimpedancia.
2.2. Objetivos específicos
2.2.1. Diseñar y simular un sistema para la medición de la impedancia de la
piel.
2.2.1.1. Diseñar y simular un oscilador senoidal 5 Hz- 10,000 Hz con
amplitud de 5vpp
2.2.1.2. Diseñar y simular una fuente de corriente constante (fuente de
Howland ) de 10μA.
2.2.1.3. Consultar y simular un circuito equivalente a la bioimpedancia
de la piel.

3. 2.2.2. Diseñar y simular un circuito detector de ventana para visualizar los
momentos en los cuales existan variaciones de corriente
2.2.3. Realizar tres pruebas del sistema de medición de bioimpedancia y
registrar los resultados
3. Equipo y Material
● Computadora personal
● Software LTSpice®
4. Metodología
Generador de onda senoidal
4.1. Diseñar un generador de onda senoidal que oscile de 5 Hz a 10,000 Hz con
amplitud de 5Vp.
4.1.1. Utilizando el software LTSpice®, bosqueje un generador senoidal
como el que se muestra en la figura 1.
Figura 1.​ Esquema electrónico del oscilador senoidal de puente
de Wien

4. 4.1.2. Utilizando la ecuación 1, calcule las resistencias y capacitores
necesarios para generar diez frecuencias ( ) dentro del intervalo de 5
f
Hz a 10,000 Hz.
​(1)
f = 1
2π R C
4.1.3. De igual forma, utilice la ecuación 2 para encontrar los valores de RA,
R1 y R2 que generen una señal con 5 V de voltaje máximo.
​(2)
A = R1
RA // R2
+ 1
4.1.4. Simule la respuesta del circuito de puente de Wien en el tiempo
utilizando los valores de R y C calculados en los pasos 4.1.1 y 4.1.2.
4.1.5. Calcule el porcentaje error entre las frecuencias teóricas y las de
simulación.
Fuente de Howland
4.2. Diseñar y simular una fuente de corriente constante
4.2.1. Utilizando el software LTSpice®, bosqueje el circuito de la fuente de
Howland (véase la figura 2)
Figura 2.​ Esquema electrónico de la fuente de Howland
4.2.2. Con las ecuaciones 3 y 4 calcule los valores de las resistencias de la
fuente de Howland, tomando en cuenta que la corriente de la carga
debe ser de 10μA.
​ (3)
iL = 1
Re2
​(4)
b e1 Re2
R = R +

5. Simulación con frecuencia variable
4.3. Conecte el oscilador senoidal a la entrada de la fuente de Howland.
4.4. Investigue un circuito eléctrico que represente el comportamiento eléctrico de
la piel y conéctelo en el lugar de la carga (R​L​) de la fuente de Howland.
4.5. Para cada una de las frecuencias elegidas en el paso 4.1, simule el circuito
completo (oscilador, fuente de Howland y circuito de piel) y registre:
● La frecuencia y la amplitud a la salida del oscilador senoidal (Vs).
● El voltaje a la salida de la fuente de Howland (Vh), así como el desfase
entre este y el voltaje del oscilador.
● La corriente en la carga (​i​L​)
● El voltaje a la salida del circuito de piel.
Simulación con piel variable
4.6. Manteniendo fija la frecuencia de oscilación del generador, varíe los valores
de resistencia y capacitancia del circuito de piel.
4.7. Para cada uno de los valores elegidos en el paso 4.6, simule el circuito
completo (oscilador, fuente de Howland y circuito de piel) y haga las
mediciones indicadas en el paso 4.5.
Diseño de detector de ventana
4.8. Considerando los resultados obtenidos en los pasos 4.5 y 4.7, diseñe un
detector de ventana que identifique cuando los valores de corriente estén fuera
del rango seguro (el rango de frecuencias e impedancias en el que no presenta
variación)
4.9. Realice tres pruebas del sistema diseñado a lo largo de la práctica variando la
frecuencia de la corriente inyectada o la impedancia de la piel, registre los
resultados.
5. Resultados
Para el generador de onda senoidal, se diseñó un oscilador de puente de Wein (mostrado en
la figura 3) con una amplitud de 5 Vp. Se obtuvieron R1=1k Ω R2=10k Ω Y RA=1.8k Ω. Por
otra parte, para lograr las oscilaciones en el rango de frecuencias requerido, se seleccionaron

6. diez frecuencias entre 5 y 1000 Hz, y se calcularon los valores de R y C para cada una de
ellas. La tabla 1 muestra los resultados de los cálculos para cada una de las frecuencias
elegidas, así como la frecuencia de oscilación en la simulación. El error promedio entre la
frecuencia teórica y de oscilación fue de 3.94%.
Tabla 1. Valores de R y C para diferentes frecuencias de oscilación.
Frecuencia
Teórica [Hz]
R
[​ Ω]
C
[F]
Frecuencia de
Simulación [Hz]
Porcentaje de
Error
5 318.30 k 100n 4.93 1.40
50 31.83k 100n 49.16 1.68
100 15.90 k 100n 98.83 1.17
500 3.18 k 100n 494.80 1.04
1 000 1.59 k 100n 970.60 2.94
1 500 1 k 100n 1.52 k 1.33
3 000 530 100n 2.86 k 4.66
5 000 318 100n 4.67 k 6.60
10 000 159 100n 8.53 k 14.70
Promedio 3.94

7. Figura 3.​ Esquema electrónico del oscilador senoidal de puente de
Wien con amplitud de 5V y frecuencia de oscilación de 1.5kHz
En el caso de la fuente de corriente constante, se diseñó la fuente de Howland que muestra en
la figura 4. Esta fue diseñada para entregar una corriente constante ​i​L de 10μA, para lo cual se
obtuvieron los siguientes valores de resistencias: Re2=500k Ω, Re1=50kΩ y Rb=550kΩ. De
igual forma, se eligió Rd=Rc=100kΩ.
Figura 4.​ Esquema electrónico de la fuente de Howland con ​i​L​ ​de
10μA.
Cabe mencionar que en el diagrama de la fuente de Howland (figura 4) no se encuentra
representada la carga, ya que ésta se sustituyó con el circuito de simulación de piel mostrado
en la figura 5.

8. El modelo utilizado para representar la piel, fue un circuito RC con tres resistencias y
capacitores en paralelo , representando tres capas de piel paralelas (como se muestra en la
figura 5).
Figura 5.​ Modelo eléctrico de la piel
Una vez diseñados los componentes del sistema de medición de impedancia, se procedió a
realizar diferentes simulaciones. En la tabla 2, se muestra la respuesta del sistema ante la
variación de frecuencia de oscilación del generador de onda senoidal; se pueden observar los
valores de corriente de la carga (medida en la resistencia R14 del esquema de la piel), así
como el voltaje en el nodo ​Vh ​de la figura 4 y el voltaje a la salida del circuito de piel.
La figura 6 muestra la respuesta del sistema a una frecuencia de entrada de 1500Hz, se puede
observar la corriente en la carga, el voltaje en el nodo ​Vh ​y el voltaje a la salida de la piel. Por
otra parte, en la figura 7 se muestra la gráfica del voltaje de piel (eje x) contra el voltaje del
oscilador senoidal (eje y) para esta misma frecuencia.
Las figuras 8 y 9 presentan la respuesta en tiempo y la gráfica ​Vp -​Vs para una frecuencia de
1000Hz. Estos gráficos también se muestran para una frecuencia de entrada de 50 Hz (véanse
las figuras 10 y 11).

9. Tabla 2. Respuesta del sistema ante diferentes frecuencias de entrada.
Frecuencia de
Simulación
Vs
[Hz]
Amplitud
del
oscilador
[V]
Corriente
en la carga
i​L
[μA]
Voltaje en la
fuente
Howland
Vh
[mV]
Voltaje a la
salida de la Piel
Vp
[mV]
Desfase
entre VS
y VP
4.93 5.12 10.25 5.12 3.02 180°
49.16 5.1 10.21 4.97 3.02 180°
98.83 5.09 10.24 4.96 3.02 180°
494.8 5.04 10.06 4.87 2.87 180°
970.6 4.76 10.02 5.01 2.87 180°
1.52 k 5.0 10.03 4.70 2.83 180°
2.86 k 4.95 9.9 4.41 2.65 180°
4.67 k 4.95 9.97 3.90 2.31 180°
8.53 k 4.52 9.02 2.71 1.49 180°
1.01k 4.17 8.26 2.28 1.21 180°
Figura 6.​ Respuesta en el tiempo del sistema para una entrada de
1500 Hz.

10.
Figura 7.​ Gráfica Voltaje de la piel (eje x) vs Voltaje del oscilador
(eje y) para una frecuencia de entrada de 1500 Hz.
Figura 8.​ Respuesta en el tiempo del sistema para una entrada de
1000 Hz.

11.
Figura 9.​ Gráfica Voltaje de la piel (eje x) vs Voltaje del oscilador
(eje y) para una frecuencia de entrada de 1000 Hz.
Figura 10.​ Respuesta en el tiempo del sistema para una entrada de
50Hz.

12.
Figura 11.​ Gráfica Voltaje de la piel (eje x) vs Voltaje del oscilador
(eje y) para una frecuencia de entrada de 50 Hz.
Para ilustrar la atenuación del voltaje senoidal ( a la salida del generador de puente de Wien),
mostramos la figura 12, que ilustra la respuesta en el tiempo del sistema a una frecuencia de
entrada de 100 Hz.
Figura 12.​ Respuesta en el tiempo del sistema para una entrada de 100Hz
.
Además de las simulaciones variando la frecuencia de la corriente inyectada, también se
realizaron simulaciones del sistema al variando el valor de impedancia de la piel, para esto, se
modificaron los valores de CP y RP del circuito de piel (mostrado en la figura 5), mientras se

13. mantuvo fija la frecuencia de entrada en 1.5kHz. Los resultados de esta simulación se
muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Respuesta del sistema ante diferentes valores de impedancia de la piel
CP
[F]
RP
[Ω]
Voltaje a la
salida de la Piel
Vp
[mV]
Amplitud
oscilador
[V]
Corriente de
carga
​i​L
[μA]
Voltaje en la
fuente Howland
Vh
[mV]
25n 100 0.142 5.115 10.23 1.7
25n 500 1.305 5.11 10.22 1.60
25n 1k 2.83 5.11 10.23 4.85
25n 1.5k 3.095 5.11 10.21 4.18
25n 5k 5.25 5.11 10.22 5.92
25n 10k 6.43 5.115 10.23 12.86
25n 15k 6.8 5.115 10.23 14.13
10n 1k 3.005 5.115 10.23 4.94
50n 1k 2.49 5.11 10.21 4.52
75n 1k 4.41 5.105 10.21 4.10
100n 1k 2.14 5.11 10.22 3.70
Las figuras 13 y 14 muestran la respuesta del sistema cuando existe una variación de
impedancia (CP=25 nF y RP=100Ω).

14. Figura 13.​ Respuesta en el tiempo del sistema para una entrada de 1.5kHz, con
variación de impedancia de la pie (CP=25 nF y RP=100Ω).
Figura 14.​ Gráfica Voltaje de la piel (eje x) vs Voltaje del oscilador (eje y) para
una frecuencia de entrada de 1.5kHz e impedancia variable (CP=25 nF y
RP=100Ω).
Por otra parte, las figuras 15 y 16 ilustran la respuesta del sistema al mantener la frecuencia
del oscilador en 1.5kHz mientras se presenta una variación de impedancia de la piel (CP=100
nF y RP=1kΩ).

15. Figura 15.​ Respuesta en el tiempo del sistema para una entrada de 1.5kHz, con
variación de impedancia de la pie (CP=100 nF y RP=1kΩ).
Figura 16.​ Gráfica Voltaje de la piel (eje x) vs Voltaje del oscilador (eje y) para
una frecuencia de entrada de 1.5kHz e impedancia variable (CP=100 nF y
RP=1kΩ).
Para el detector de ventana se diseñó un circuito comparador de lazo abierto (véase la figura
17), en el cual se estableció el voltaje de referencia superior (​Vref+​) en 5.15 mV y el voltaje
de referencia inferior (​Vref-​) en -5.15mV. Estos límites se eligieron tomando en cuenta el
voltaje de la fuente de Howland, ya que se vio que estaba relacionado con la corriente ​i​L​.

16. Figura 17.​ Esquema electrónico del detector de ventana
Finalmente, las figuras 18 a 20 muestran tres pruebas realizadas con el comparador de la
figura 17.
Figura 18.​ Respuesta en el tiempo del sistema a una entrada de
1.5kHz y voltajes umbral del detector de ventana.

17.
Figura 19.​ Respuesta en el tiempo del sistema a una entrada de 500
Hz y voltajes umbral del detector de ventana.
Figura 20.​ Respuesta en el tiempo del sistema con impedancia
variable (CP=25 nF y RP=15kΩ) y voltajes umbral del detector de
ventana.
6. Conclusiones
El sistema de monitoreo de bioimpedancia diseñado durante esta práctica consistió en tres
secciones principales, que fueron: un generador de onda senoidal de amplitud de 5V, una
fuente reguladora de corriente de 10 A, y finalmente un detector de ventana para identificar

18. rangos seguros de operación de los circuitos presentados. Cada una de estas fases fue
desarrollada tomando en cuenta el comportamiento resisto- capacitivo de la piel, por lo que
todos los diseños se probaron en simulación utilizando el circuito de la figura 5. Para el
generador senoidal se utilizó un puente de Wien con un rango de frecuencias de 4.93 Hz a
8.53 kHz, se encontró un error de 3.94% entre las frecuencias obtenidas de la simulación y
las frecuencias calculadas con la ecuación 1; se observó también un menor error en
frecuencias bajas respecto a las altas. Para el regulador de corriente, se utilizó una fuente de
Howland de 10 μA, en esta se observó que la corriente en la carga (el circuito de piel) se
mantenía constante desde 5 Hz hasta 1.5 kHz, ya que en frecuencias mayores existía una
disminución de corriente mayor a 0.3 μA; Por otra parte, se observó que la corriente en la
carga permanecía constante ante diferentes valores de impedancia de piel, lo que puede
traducirse en seguridad para el paciente a pesar de las características de la piel. Finalmente
para el detector de ventana, se utilizó un comparador de lazo abierto, con umbrales
relacionados al voltaje de la fuente de Howland, ya que se observó una relación entre este y la
corriente en la carga (véase tabla 2) cuando se inyectaban diferentes frecuencias desde el
oscilador.