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CLASE 11 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

INGENIERÍA BIOMÉDICA ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS.

En medición de eventos fisiológicos en seres vivos los transductores fotoeléctricos son empleados en 2 formas:

a).- Como detector de cambios en la intensidad de la luz de una cierta longitud de onda, como en la colorimetría y espectrometría.

b).- Como detector de intensidad de la luz en donde la longitud de onda no es relevante.

Básicamente hay 3 tipos de transductores fotoeléctricos:

1.- Los fotoemisores (fototubo) en el cual se liberan electrones de una superficie metálica.

2.- Los fotovoltáicos, donde se produce una diferencia de potencial entre 2 substancias en contacto.

3.- Los fotoconductivos, como la fotorresistencia, donde ocurre un cambio en conductividad.

Aún cuando hay cierto traslape en sus características, su selección esta relacionada por sus particulares características de respuesta al espectro de luz, sensitividad, votaje y corriente de salida.



* Tubos fotoemisores.

El tubo fotoemisor es un bulbo al vacío (o lleno de alguna mezcla de gases) con 2 electrodos, el cátodo es una superficie metálica cubierta de un material (compuestos de cesio, antimonio, plata y bismuto) que libera electrones cuando se le ilumina, el ánodo es un tubo delgado o un alambre.

La emisión de electrones se presenta si la longitud de onda es menor a cierto valor, así hay limitación de su sensitividad a longitudes de onda largas.

Dependiendo del material fotosensible se tienen características especiales a las componentes de longitud de onda de la luz, así, ciertos materiales tienen una alta sensitividad a un angosto ancho de banda del espectro en tanto que otras son sensibles prácticamente a todas las componentes del espectro.

En los transductores con tubos fotoemisores se aplica un voltaje relativamente alto (entre 10 y 200 volts), sin luz no se presenta conducción, ante la presencia de luz se liberan electrones en el cátodo y



se establece un flujo de corriente hacia el ánodo que es linealmente proporcional a la intensidad de la luz incidente.

El flujo de corriente es pequeño (no suficiente para indicación directa) y requiere de etapas de amplificación. En tubos fotoemisores llenos de mezclas de gases es posible obtener corrientes más altas. En cualesquier caso, en ausencia total de luz, los tubos fotoemisores exhiben una pequeña corriente de fuga, y su respuesta a la frecuencia es muy alto (tiempos menores a 1 milisegundo).

La respuesta de los tubos fotoemisores a las diferentes longitudes de onda de la luz generalmente se presentan en forma de una curva designada por una S (de spectrum) y un número.

Un tipo particular del tubo fotoemisor es el fotomultiplicador, donde se agregan ánodos, cada uno a un potencial más alto, obteniéndose en 10 o más etapas amplificaciones de corriente en el orden de millones con tiempos de respuesta de del orden de nanosegundos.

Debido a su alta sensitividad y corto tiempo de respuesta, los fotomultiplicadores son aplicados ampliamente para detectar bajos niveles de luz presentes en cortos tiempos.



Un caso de aplicación en ingeniería biomédica son contadores de centelleos presentes en estudios de medicina nuclear, donde las emisiones de un material radioactivo (que es aplicado al paciente) son convertidas a luz mediante una pantalla fluorescente y detectada su intensidad y localización mediante fotomultiplicadores.

En estudios radiológicos dinámicos de diagnóstico, durante fluroscopía, se utilizan fotomultiplicadores para controlar el kilovoltaje y miliamperaje en el tubo de rayos x de tal forma que independientemente del tipo de paciente se tenga una buena imagen.

* Celdas fotovoltáicas.

A diferencia de los tubos fotoemisores (que requieren altos voltajes y producen, al se iluminados, bajas corrientes), las celdas fotovoltáicas (también conocidas como fotogalvánicas o fotoceldas) producen un voltaje a un substancial nivel de corriente.

Una de las celdas fotovoltáicas más populares consiste de un sándwich con dos superficies asiladas, una con un recubrimiento de selenio y la otra de hierro o acero. Cuando se ilumina, se absorbe la energía de la luz, liberando electrones produciendo una diferencia de potencial que es negativa en el lado metálico y positivo en el lado del selenio.

Adicionalmente, la resistencia interna de la celda decrece con el incremento en luz, permitiendo conectar varias celdas en paralelo y evitando que celdas que no reciban luz carguen al circuito.

Debido a que la relación de intensidad de luz a voltaje es no lineal (produciendo voltajes en circuito abierto entre 200 y 600 mV), generalmente se relaciona con la magnitud de la corriente (aprovechando la reducción de la resistencia con el incremento en intensidad de luz), produciéndose una relación bastante lineal.

Las fotoceldas de selenio cubren el rango de luz visible, por lo que son ampliamente utilizadas en medidores de iluminación, medidores de exposición de luz y colorímetros simples (mediante el uso de filtros ópticos).



Debido a su alta capacitancia, las celdas fotovoltáicas presentan respuestas mayores a 5 milisegundos.

La principal desventaja de las celdas fotovoltáicas es su sensitividad a cambios en temperatura.

Otro ejemplo de celda fotovoltáica es la unión de materiales semiconductores P-N, La absorción de la energía de la luz por la unión P-N resulta en la generación de pares electrón – hueco que produce un voltaje en la unión.

La aplicación más importante del fotodiodo es la batería solar, que convierte la luz solar en potencia eléctrica, pero como transductor fotovoltáico presenta una característica no lineal, ya sea polarizado en directa o inversamente o sin polarización.



La sensitividad espectral de las celdas fotovoltáicas de union P-N está en el rango de las regiones roja e infrarroja, su tiempo de respuesta está en el rango de microsegundos a milisegundos, lo cual los ha hecho ampliamente utilizados en detectores de luz.



Otra aplicación importante es su uso en dispositivos de aislamiento eléctrico (optoaisladores), donde una señal eléctrica es convertida a luz mediante un LED y es detectada a cierta distancia por una celda fotovoltáica de unión PN, abriendo cualesquier conexión conductora entre entrada y saliendo proveyendo un excelente aislamiento eléctrico.

* Celdas fotoconductivas.

Las celdas fotoconductivas o fotoresistivas están formadas por una delgada película de materiales como selenio, germanio, silicio o sulfatos metálicos. Cuando son expuestos a cierto tipo de energía radiante, exhiben un fenómeno fotoconductivo, decrecimiento es su resistencia. El cambio en resistencia es significativo, de muchos megaohms en la oscuridad a pocos cientos de ohms en plena iluminación.

En la mayoría de las celdas fotoconductivas, el incremento en nivel de iluminación es aproximadamente lineal con la conductancia, lo cual es una relación inversa de la resistencia. Estos detectores son extremadamente sensibles y son empleados frecuentemente como interruptores activados por luz o en aplicaciones de colorimetría.



Algunas celdas fotoconductivas son muy sensibles al rango de radiación infrarroja lo que ha hecho que se apliquen en espectroscopia y en misiles dirigidos por rayos u objetivos que emiten este tipo de radiación.

El tiempo de respuesta de los transductores fotoconductivas varía con la intensidad de la luz, pero anda en un rango de 0.1 a 30 milisgundos.



* El fototransistor.

Con el fotodiodo, le cambio de corriente con el cambio en nivel de intensidad es pequeño, aún cuando su tiempo de respuesta es bastante corto. Si se pudiera sacrificar algo del tiempo de respuesta, se pudiera lograr incrementar la sensitividad en corriente utilizando un fototransistor.

El fototransistor se deja la terminal de base sin conectar y expuesta a la luz, la intensidad de la luz produce un incremento en el potencial de la base activando el transistor y amplificando este efecto en la corriente de colector por el factor β del transistor.



El fototransistor es un fotodetector de alta ganancia cuyo pico se presenta en el rango de las regiones roja e infrarroja, su tiempo de respuesta anda en el rango de 5 microsegundos.

Su aplicación, tanto en biomedicina como industrial, se ha visto limitada por su inferioridad en respuesta comparado con el fotodiodo, tal parece que la combinación del fotodiodo con un amplificador provee una mejor solución de sistema de detección de luz que el fototransistor.

* Comparación entre transductores fotoeléctricos.

Con tal cantidad de detectores fotoeléctricos, conviene hacer una revisión de sus características más importantes. Las características más importantes de los sensores fotoeléctricos son:

• Sensitividad al espectro de radiación (luz visible, ultravioleta, infrarroja).

• Tiempo de respuesta,

• Tipo de salida (voltaje, corriente, resistencia),

• Linealidad con la intensidad de la luz.

Los tubos fotoemisores: • Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz

visible y ultravioleta, mayor en tos tubos rellenos de mezclas de gases).

• Corto tiempo de respuesta (microsegundos). • Requieren un voltaje de polarización alto. • La relación corriente – intensidad de luz es bastante

lineal. • Presenta corriente de fuga en oscuridad. • Provee una salida pequeña de corriente. • El bulbo es frágil y sensible a impactos y fuerzas de

aceleración. • Los fotomultiplicadores proveen altas ganancias de

amplificación.



Las celdas fotovoltáicas y de union P-N.

• Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz visible e infrarroja.

• El tiempo de respuesta varía según el tipo, pero los menores están en uniones P-N.

• No requieren voltaje de polarización.

• Son sensibles a cambios de temperatura.

• Robustas.

Las celdas fotoconductivas (fotorresistencias, fotouniones P-N y fototransistores).

• Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz roja e infrarroja.

• El tiempo de respuesta varía según el tipo, pero los menores están en fotouniones P-N, siguiendo con el fototransistor y las más largas con la fotoresistencia.

• Requieren voltaje de polarización.

• La resistencia varía inversamente con la intensidad de la luz, no lineal.

• La relación de corriente a intensidad es bastante lineal en las fotouniones P-N y el fototransistor.

• Robustas y sensibles a temperatura.

Para aplicaciones de colorimetría, se requiere seleccionar el transductor con una alta ganancia en rango del espectro de interés, si no lo tiene se podría agregar un filtro que le de selectividad, disminuyendo la eficiencia del fotodetector pero logrando la sensitividad deseada en la región de interés en el espectro.



* Aplicaciones en colorimetría.

Además de las aplicaciones en colorímetros y espectrofotómetros para el análisis de fluidos biológicos, los transductores fotoeléctricos permiten la medición de eventos fisiológicos en seres vivos; Dos aplicaciones son la determinación del nivel de saturación de oxígeno en sangre a medida que circula y la concentración de bióxido de carbono en el flujo de aire de expiración. En el primer caso se utilizan fotodetectores (con sus adecuados filtros) para sensar cambios en densidad de color.

La determinación del nivel de saturación de oxígeno en la sangre mediante la medición de su tonalidad roja en seres vivos se hace por transiluminación a través de un tejido rico en vasos sanguíneos, como el lóbulo de la oreja. En un lado se coloca un emisor de luz y en el otro dos detectores fotovoltáicos, cada uno cubierto por un filtro. El primero detecta radiación en la porción roja del espectro (640 mµ) y el segundo en la región de la radiación infrarroja (800 mµ).



El primer detector (canal rojo) provee una señal que indica la cantidad de oxígeno en la sangre y la cantidad de sangre en el tejido, por supuesto, en la trayectoria de luz. El segundo detector (canal infrarrojo) es independiente de la saturación de oxígeno y porta información de la cantidad de sangre y tejido en la trayectoria de luz.

El grado de saturación de oxígeno se determina calibrando el fotodetector contra muestras de sangre analizadas químicamente. La curva de calibración es un gráfico de saturación de oxígeno contra la razón del nivel sensado en el canal rojo entre el nivel sensado en el canal infrarrojo. Con esto podemos esperar una medición no invasiva del nivel de saturación de oxígeno en sangre en tiempo real son una exactitud en el orden del +/- 5 % del valor real. La medición en tiempo real es especialmente útil durante cirugías.

En el caso de la concentración de bióxido de carbono (ya mencionado en un tema anterior), se aprovecha la propiedad de transducción del bióxido de carbono de absorber radiación infrarroja con longitud de onda de 4.26 µ, en un lado se instala una fuente de radiación infrarroja en esa banda del espectro y en el otro lado un fotodetector.



En este caso la relación es inversa, a mayor concentración de bióxido de carbono, menor la señal del fotodetector. Con esto se pudo lograr un sistema que ofrece mediciones de concentración de CO2 cada 50 milisegundos.

* Aplicaciones no colorimétricas.

Hay numerosas aplicaciones no colorimétricas de fotodetectores, una de primeras fue utilizado en un sistema de medición de presión arterial. En este transductor se fija una banda de sombra en el extremo libre de un Tubo Bourdon que detecta presión, En un lado de la banda se coloca una fuente de luz y en el otro lado un fotodetector, a medida que se incrementa la presión, el extremo del Tubo Bourdon se desplaza descubriendo la banda de sombra de la trayectoria entre la fuente de luz y el fotodetector. En esta forma se obtiene una señal eléctrica en relación a la presión.

En otra aplicación se utiliza un cateter en cuya punta y parte anterior se tiene una membrana reflectiva, en la parte anterior a la membrana se tiene una fuente de luz y un fotodetector, la membrana cambia su posición en función a la presión, haciendo que se modifique la cantidad de luz reflejada y la señal eléctrica del fotodetector.

Fotodetectores, en particular celdas fotovoltáicas y fotorresistencias han sido ampliamente utilizadas para detectar pulso, en este caso hay 2 técnicas para lograrlo.



En un caso la masa bascular es puesta entre la fuente de luz y el fotodetector, en este caso el flujo capilar modula la densidad de luz que pasa por transmitancia. En el segundo caso, la fuente de luz esta en el mismo lado del fotodetector y la detección de pulso se realiza por la cantidad y dispersión de la luz reflejada.

Otro caso de aplicación de transductores fotoeléctricos está en las bombas de infusión. En las bombas de infusión se hace pasar una sonda que proviene de un recipiente con suero y/o medicamento, se controla el volumen a pasar al paciente modificando la frecuencia de goteo del suero en una sección cilíndrica y transparente de la sonda.

En este caso se coloca la fuente de luz en un lado de la sección cilíndrica y un fotodetector en el otro lado, cada vez que pasa una gota, dispersa la luz y reduce su cantidad a llegar en el fotorreceptor. En esta forma se miden las gotas, de acuerdo a los diámetros y geometría, entre 15 y 30 gota hacen 1 centímetro cúbico (cc), con esto es posible tener una retroalimentación de volumen que en el tiempo establece una cierta dosis a controlar (100 cc/hr, etc.). Todo esto con la ventaja de que nunca se tiene contacto con el fluido a suministrar.

Algunos problemas en la aplicación de fotodetectores son la frecuente necesidad de proveer blindaje al sensor de tal forma que no le afecten otras fuentes de luz. También, como generalmente se requiere de una fuente de luz constante y su intensidad varía con el cuadrado del voltaje de excitación, variaciones en la fuente de alimentación puede introducir errores significativos. En este caso, frecuentemente se añade otro fotodetector para monitorear directamente la fuente de luz y hacer correcciones ante sus variaciones.

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