ES2339210B1 - Electrodo para registro de señales bioelectricas y su procedimiento de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Electrodo para registro de señales bioeléctricas
y su procedimiento de fabricación.
Electrodo (1) para el registro de las señales
bioleléctricas de un paciente, que comprende: una matriz plana (2),
que tiene una cara interior (2a) y una cara exterior(2b); al
menos un soporte metálico (3) unido a la cara interior (2a) de la
matriz plana (2); al menos una pieza elástica porosa (4), impregnada
por una dispersión inorgánica conductora de la electricidad, que
tiene una superficie de fijación (4b) fijada al soporte metálico (3)
y una superficie de contacto (4a) para establecer contacto eléctrico
con el cráneo del paciente.
Description
Electrodo para registro de señales bioeléctricas
y su procedimiento de fabricación.
La presente invención forma parte del área de la
Electrónica-Química, en el sector de la captación de
señales bioeléctricas. En concreto, el objeto del electrodo de la
invención es registrar señales bioeléctricas de un paciente sin
utilizar geles de contacto.
Normalmente, un dispositivo de registro de la
actividad bioleléctrica comprende fundamentalmente un conjunto de
electrodos que se disponen en contacto con el cráneo del paciente en
determinados puntos, y que son los responsables de la adquisición de
las señales. A continuación, las señales son filtradas para su
interpretación y/o almacenamiento. Desde su invención en 1929, los
avances tecnológicos han logrado principalmente, por un lado
transformar la señal analógica en digital, y por otro aumentar el
número de electrodos que es posible utilizar simultáneamente. En los
últimos años, gracias a métodos de análisis de señal, se emplean
cada vez más registros electroencefalográficos (EEG) en el
diagnóstico de enfermedades neurológicas, para el estudio de las
funciones cerebrales y para el control externo de aparatos.
A lo largo de los últimos años se han obtenido
grandes avances en el análisis de señales EEG: métodos de estimación
espectral estacionaria para identificar los principales ritmos
cerebrales; técnicas de estimación espectral dinámica para
correlacionar los diferentes ritmos EEG con la ejecución de tareas
sensitivo-motoras y cognitivas; técnicas estimación
de la sincronización y de direccionalidad entre diferentes canales
para caracterizar la transmisión de actividad entre áreas distintas
del cerebro; métodos de filtrado espacial laplaciano para minimizar
la distorsión debida a los tejidos que separan los electrodos del
cerebro; métodos de separación de generadores para localizar las
áreas cerebrales donde se origina la actividad neuronal; etc.
Sin embargo, se han producido muy pocos cambios
en la forma y en el material de los electrodos utilizados, siendo
todavía la mayoría de oro o Ag/Cl y con necesidad de conductores
salinos (gel) en el punto de contacto con la piel del paciente.
En general, un electrodo adecuado para estas
aplicaciones debe presentar una alta conductividad eléctrica, así
como buena estabilidad química, alta resistencia mecánica, alta
flexibilidad y buena estabilidad dimensional. Otras dos
características fundamentales son un bajo coste y la facilidad de
reciclarlo para evitar daños al medio ambiente.
La presente invención describe un electrodo que
presenta una elevada conductividad electrónica, con buena
estabilidad térmica y química (en las condiciones de operación). Se
trata de un electrodo de carácter híbrido
orgánico-metálico que emplea una matriz polimérica
de látex de caucho natural entrecruzado. Esto le confiere unas
excelentes propiedades mecánicas, sobretodo en alargamiento a la
rotura, una flexibilidad muy superior a la de cualquier electrodo de
la técnica anterior, y una inmejorable elasticidad. También el peso
y el volumen del electrodo de la invención son inferiores a los de
la técnica anterior. Además, su coste es inferior al del resto de
los electrodos conocidos, ya que, al ser el látex de caucho natural
un producto de origen vegetal absolutamente reciclable, y de consumo
masivo, su precio es varias veces menor que el de los polímeros
sintéticos derivados del petróleo usados en otro tipo de
electrodos.
En el presente documento, el término
"paciente" pretende hacer referencia no sólo a pacientes
humanos, sino también a cualquier otro animal cuya actividad
cerebral pudiera ser objeto de estudio.
Un primer aspecto de la presente invención
describe un electrodo para el registro de las señales bioleléctricas
de un paciente que comprende una matriz plana, al menos un soporte
metálico y al menos una pieza elástica porosa. Estos elementos se
describen a continuación:
Se trata de una matriz cuya forma
aproximadamente plana es adecuada para amoldarse a la forma de la
piel del paciente sobre la que se tomarán las señales bioeléctricas.
En una realización preferida de la invención, la matriz plana está
hecha de un material elástico, aunque también se puede fabricar en
materiales rígidos. Para hacer referencia a las caras de la matriz,
denominaremos "cara interior" a la cara destinada a estar
enfrentada a la piel del paciente y "cara exterior" a la cara
opuesta.
Se trata de una pieza metálica fijada a la cara
interior de la matriz plana, y que está destinada a soportar la
pieza elástica porosa que adquiere la señal bioeléctrica de la piel
del paciente. Dicha señal bioeléctrica se transmite desde la piel
del paciente, a través de la pieza elástica porosa y del soporte
metálico, hasta un módulo de adquisición de señales o módulo de
procesamiento de señales. En una realización preferida de la
invención, la placa eléctrica responsable del procesamiento de las
señales bioeléctricas captadas está integrado en la cara exterior de
la matriz plana.
En realizaciones preferidas de la invención, el
soporte metálico está hecho de cobre con forma de vaso, con el
objeto de alojar y fijar en su interior la pieza elástica
porosa.
La pieza elástica porosa es la parte del
electrodo que está en contacto con la piel del paciente para
adquirir la señal bioeléctrica. La pieza elástica porosa
preferiblemente está hecha de látex natural, que además puede estar
prevulcanizado. Para dotar a la pieza elástica porosa de
conductividad eléctrica, está mezclada con una dispersión inorgánica
conductora de la electricidad. La dispersión inorgánica
preferiblemente comprende entre un 20% y un 50% de material
metálico, por ejemplo níquel, plata, oro, cobre, aluminio, carbono,
u otros, y está mezclada en la pieza elástica porosa hasta una
concentración de preferiblemente entre 0,1% y 1% en peso.
La pieza elástica porosa puede tener cualquier
forma, siempre que sea adecuada para que uno de sus lados esté
fijado al soporte metálico, y el lado opuesto sea adecuado para el
contacto con la piel del paciente. En el presente documento,
denominaremos "superficie de fijación" a la superficie que se
fija al soporte metálico, y "superficie de contacto" a la
superficie que establece contacto eléctrico con el paciente.
Preferiblemente, la pieza elástica porosa tiene forma esférica, y
más preferiblemente con un diámetro de entre 500 micras y 5000
micras.
Además, y con el objeto de mejorar aún más la
conductividad de la pieza elástica porosa y el contacto eléctrico
con la piel del paciente, la superficie de contacto de la pieza
elástica porosa puede comprender además una lámina de una dispersión
inorgánica conductora de la electricidad, preferiblemente con un
espesor de entre 300 nm y 2 \mum.
En cuanto a las propiedades mecánicas de las
piezas elásticas porosas, independientemente del tipo de carga
utilizada los módulos al 100% de deformación son inferiores a 1,6
MPa, mientras que al 900% superan en la mayoría de los casos los 20
MPa, lo cual quiere decir que son bastante elásticas. Todas las
piezas elásticas porosas obtenidas presentan un comportamiento a la
rotura con buenas prestaciones, ya que la carga a la rotura varía
entre los 15 y 30 MPa con deformaciones máximas superiores al 700%,
muy adecuado para el ensamblaje bajo presiones de las piezas
elásticas porosas sobre los soportes metálicas.
Se han realizado medidas de conductividad
electrónica de cuatro puntas de las piezas elásticas porosas con
forma esférica y recubiertas, y se ha podido obtener valores de
10E^{4} S/cm a 25ºC y 37ºC, valores que son muy adecuados para el
registro de señales bioeléctricas.
Por otro lado, el procedimiento de fabricación
del electrodo de la invención de producción es rápido y sencillo, y
no necesita ni temperaturas ni presiones elevadas, por lo que no
requiere un gran gasto energético. Además, no se requiere el uso de
ningún disolvente, ya que todas la dispersiones son en fase acuosa,
por lo que no es contaminante.
Así, un segundo aspecto de la invención se
refiere a un procedimiento de fabricación de un electrodo para el
registro de las señales bioleléctricas de un paciente, que comprende
una matriz plana, al menos un soporte metálico y al menos una pieza
elástica porosa, y que comprende las siguientes operaciones:
La dispersión inorgánica se prepara en función
del tipo de carga inorgánica/metálica. Por ejemplo, se puede moler
la carga en un molino de bolas con la cantidad de agua y
tensoactivos necesarios. Otra opción es preparar la dispersión
inorgánica empleando el método sol-gel, hidrolizando
una disolución de un alcóxido de un metal de partida en una mezcla
etanol-agua.
Se aplica a la mezcla de la dispersión
inorgánica con la solución de material elástico un tratamiento
adecuado para que solidifique con la forma deseada.
Este proceso debe dar como resultado, además de
una adecuada fijación mecánica, un buen contacto eléctrico entre la
pieza elástica porosa y el soporte metálico. Preferiblemente, la
fijación se realiza mediante termounión a una temperatura de entre
40ºC y 80ºC.
Opcionalmente se puede añadir una capa de
dispersión inorgánica conductora de la electricidad sobre la
superficie de contacto de la pieza elástica porosa, preferiblemente
por serigrafía, con el objetivo de mejorar aún más el contacto
eléctrico con la piel del paciente.
Finalmente, otra realización particular más de
la invención comprende prevulcanizar el látex de la pieza elástica
porosa para mejorar sus propiedades mecánicas.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista de una realización
particular de un electrodo de acuerdo con la invención.
Figura 2.- Muestra una matriz plana elástica que
comprende un conjunto de electrodos de acuerdo con la invención.
Se describe a continuación una realización
particular de la invención, haciendo referencia a las figuras
adjuntas. En la Fig. 1 se aprecia un electrodo (1) de acuerdo con la
invención. La matriz plana (2) sirve como base sobre la que se fija
un soporte metálico (3), que en este ejemplo está hecho de cobre con
forma de vaso, en cuyo interior se aloja una pieza elástica porosa
(4) esférica formada a partir de una mezcla de la dispersión
inorgánica que la dota de conductividad eléctrica y de una
dispersión de látex de caucho natural.
La superficie de contacto de la pieza elástica
porosa (4) está recubierta con una lámina (5) de dispersión coloidal
inorgánica, mejorándose así el contacto con la piel del paciente. En
este ejemplo, tanto la matriz plana (2) como la pieza elástica
porosa (4) están hechas de látex natural prevulcanizado.
Se describe a continuación el proceso de
fabricación empleado para fabricar este electrodo (1), y mediante el
cual se han conseguido excelentes propiedades mecánicas,
especialmente el alargamiento a la rotura, una flexibilidad muy
superior a la de todas sus competidoras, y una inmejorable
elasticidad. Por otra parte, su reciclado es sencillo, y no es
necesario el empleo de disolventes, por lo que el proceso es barato
y ecológico. Así, los pasos seguidos en la fabricación son los
siguientes:
En primer lugar hay que hacer una dispersión de
todos los reactivos necesarios para el entrecruzamiento del látex:
azufre o donadores de azufre, acelerantes, antioxidantes y los
correspondientes tensoactivos y dispersantes que ayudarán a la
formación y estabilidad de dicha dispersión. Para ello se introducen
todos los ingredientes mezclados con agua en una proporción menor al
50% en peso en un molino de bolas y se agita durante el tiempo
necesario para obtener un tamaño de partícula óptimo.
A continuación se procede a la prevulcanización
del látex, para lo cual se añade la dispersión de los agentes del
sistema de vulcanización y se calienta entre 30 y 70ºC durante
2-15 horas necesarios para alcanzar el grado de
entrecruzamiento deseado del látex. Una vez hecho esto, el látex
prevulcanizado se estabiliza convenientemente con los tensoactivos
más adecuados para poder garantizar su estabilidad durante el tiempo
de almacenamiento previsto.
La forma de preparar la dispersión coloidal
inorgánica depende del tipo de carga inorgánica/metálica que se
emplee. En el caso de los metales, la dispersión se prepara con una
concentración entre el 20 y el 50% en peso moliendo dicha carga en
un molino de bolas con la cantidad de agua y tensoactivos
necesarios. Las dispersiones de los metales obtenidos por el método
sol-gel se preparan hidrolizando una disolución de
un alcóxido del metal de partida en una mezcla
etanol-agua.
El látex prevulcanizado se coloca en un
recipiente provisto de agitación mecánica y se va añadiendo poco a
poco la dispersión de la carga coloidal. Mientras tanto, se
controlan parámetros de la mezcla como la viscosidad, la tensión
superficial o el pH para evitar su coagulación, para lo cual se
deben ir añadiendo diferentes aditivos a la mezcla como tensoactivos
iónicos y no iónicos o ácidos y bases.
Se emplea el látex prevulcanizado y mezclado con
la dispersión coloidal inorgánica conductora de la electricidad para
conformar unas piezas elásticas porosas (4) de forma esférica. En
este ejemplo, el diámetro de las piezas elásticas porosas (4) es de
500 micras.
Finalmente, se extiende por serigrafía una
lámina (5) de la mezcla coloidal sobre la superficie de contacto de
las piezas elásticas porosas (4) esféricas a temperatura de
20-40ºC durante un tiempo inferior a 10 minutos,
adecuados para cada mezcla coloidal. Después se lleva acabo un
proceso de secado a 40ºC que es clave para que el recubrimiento este
libre de grietas y cuarteamientos que podrían provocar desconexiones
eléctricas.
Finalmente, se fijan las piezas elásticas
porosas (4) a unos soportes metálicos (3). En este ejemplo, los
soportes metálicos (3) tienen forma de vaso de 3000 micras de
diámetro y 500 micras de profundidad, y están integrados en un
circuito impreso de adquisición de señal (no mostrado en las
figuras) que está dispuesto en la cara exterior de una matriz plana
(2).
El proceso de unión soporte metálico (3)/pieza
elástica porosa (4) de látex se lleva a cabo, por un proceso de
termounión a 60ºC que es básico para conseguir la adherencia entre
estos dos materiales.
Ejemplo
detallado
En primer lugar se prepara una dispersión con
los ingredientes necesarios para prevulcanizar el látex. Para ello
se introducen en un molino de bolas 100 gr de azufre, 50 gr de
dietilditiocarbamato de zinc, 20 gr de oxido de zinc, 20 gr de
antioxidante, 2 gr de caprilato potásico, 2 gr de caseína y 200 gr
de agua, y se agita durante dos horas. Para prevulcanizar el látex
se añaden a un tanque provisto de un sistema de agitación mecánica
500 gr de látex concentrado (55% en peso de goma) y la cantidad de
la dispersión, preparada como se comentó anteriormente, necesaria
para que por cada 100 partes de goma haya 2 partes de azufre. Para
estabilizar la mezcla se añaden 10 gr de disolución acuosa de
caprilato potásico al 10% y 10 gramos de Emulvin (un tensoactivo no
iónico). La mezcla se agita a 200 rpm y se calienta durante 6 horas
a 60ºC.
Para preparar la dispersión coloidal inorgánica
se añaden a un molino de bolas 1 gr de Solución coloidal metálica y
unas gotas de tensoactivo Dolapix y se agita durante 40 minutos. A
continuación, empleando un recipiente con agitación se lleva a cabo
la mezcla de ambas disoluciones obteniendo una mezcla homogénea no
coagulada de ambos componentes. Dicha mezcla se conforma en los
soportes metálicos (3) con forma esférica, que a su vez están
fijados a la matriz plana elástica y a un circuito impreso dispuesto
en su cara exterior. Finalmente sobre piezas elásticas porosas (4)
de forma esférica se aplica un recubrimiento superficial por
serigrafía través de una malla de 100 micras de luz de tamiz de una
dispersión. De este modo, se consigue que el dispositivo sea un todo
compacto sin ninguna desconexión eléctrica. El electrodo (1) se deja
secar lentamente durante 5 horas a 40ºC para evitar la formación de
grietas en las conexiones.
De esta manera se han preparado agrupamientos de
electrodos con una disposición geométrica similar a la que se
presenta en la figura 2. En ella, un par de electrodos (1a)
principales de medida dispuestos en el centro de la matriz plana (2)
está rodeado por cuatro pares de electrodos (1b) que sirven como
filtro para limpiar la señal de los electrodos (1a) centrales.
Claims (19)
1. Electrodo (1) para el registro de las señales
bioleléctricas de un paciente, caracterizado porque
comprende:
una matriz plana (2), que tiene una cara
interior (2a) y una cara exterior (2b);
al menos un soporte metálico (3) fijado a la
cara interior (2a) de la matriz plana elástica (2);
al menos una pieza elástica porosa (4) mezclada
con una dispersión inorgánica conductora de la electricidad, que
tiene una superficie de fijación (4b) fijada al soporte metálico (3)
y una superficie de contacto (4a) destinada a establecer contacto
eléctrico con la piel del paciente.
2. Electrodo (1) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la matriz plana (2)
está hecha de un material elástico.
3. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 2-3, caracterizado
porque la dispersión inorgánica conductora de la electricidad
comprende entre un 20% y un 50% de material metálico.
4. Electrodo (1) de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque el material metálico
es al menos uno de entre los siguientes: níquel, plata, oro, cobre,
aluminio y carbono.
5. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 3-4, caracterizado
porque el contenido de material metálico de la pieza elástica porosa
(4) está entre el 0,1% y el 1% en peso.
6. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además
comprende una lámina (5) de dispersión inorgánica dispuesta sobre la
superficie de contacto (4a) de la pieza elástica porosa (4).
7. Electrodo (1) de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizado porque la lámina (5) de
dispersión tiene un espesor de entre 300 nm y 2 \mum.
8. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
pieza elástica porosa (4) es de látex natural vulcanizado.
9. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
pieza elástica porosa (4) tiene forma esférica.
10. Electrodo (1) de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizado porque la pieza elástica
porosa (4) tiene entre 500 micras y 5000 micras de diámetro.
11. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
soporte metálico (3) está hecho de cobre.
12. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
soporte metálico (3) tiene forma de vaso.
13. Electrodo (1) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además
una placa eléctrica fijada a la cara exterior de la matriz plana
(2).
14. Procedimiento de fabricación de un electrodo
(1) para el registro de las señales bioleléctricas de un paciente,
que comprende una matriz plana (2), al menos un soporte metálico (3)
y al menos una pieza elástica porosa (4), caracterizado
porque comprende las siguientes operaciones:
preparar una solución de un material elástico y
mezclar dicha solución con una dispersión inorgánica conductora de
la electricidad;
conformar la mezcla de la operación anterior
para obtener una pieza elástica porosa (4);
fijar una superficie de fijación (4a) de la
pieza elástica porosa (4) al soporte metálico (3); y
fijar el soporte metálico (3) a una superficie
de contacto (2a) de la matriz plana (2).
15. Procedimiento de fabricación de un electrodo
(1) de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque
el material elástico es látex.
16. Procedimiento de fabricación de un electrodo
(1) de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque
la pieza elástica porosa (4) conformada tiene forma esférica.
17. Procedimiento de fabricación de un electrodo
(1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones
14-16, caracterizado porque la operación de
fijar la pieza elástica porosa (4) al soporte metálico (3) se
realiza mediante termounión a una temperatura de entre 40ºC y
80ºC.
18. Procedimiento de fabricación de un electrodo
(1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
14-17, caracterizado porque además comprende
la operación de extender por serigrafía una capa (5) de dispersión
inorgánica conductora de la electricidad sobre una superficie de
contacto (4a) de la pieza elástica porosa (4).
19. Procedimiento de fabricación de un electrodo
(1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
14-18, caracterizado porque además comprende
la operación previa de prevulcanizar el látex de la pieza elástica
porosa (4).
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| ES200803256A ES2339210B1 (es) | 2008-11-14 | 2008-11-14 | Electrodo para registro de señales bioelectricas y su procedimiento de fabricacion. |
| PCT/ES2009/070501 WO2010055188A1 (es) | 2008-11-14 | 2009-11-13 | Electrodo para registro de señales bioeléctricas y su procedimiento de fabricación |
| EP09825796A EP2356938A1 (en) | 2008-11-14 | 2009-11-13 | Electrode for recording bioelectromagnetic signals and related manufacturing process |
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| ES200803256A ES2339210B1 (es) | 2008-11-14 | 2008-11-14 | Electrodo para registro de señales bioelectricas y su procedimiento de fabricacion. |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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