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Mediciones en Electrofisiología

BIOINSTRUMENTACIÓN II

Dr. Ing. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica

Universidad Nacional de San Juanlaciar@gateme.unsj.edu.ar

Indice

Introducción

Índice

Eventos Bioeléctricos

Señales Biomédicas

Electrodos

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IndiceIntroducción

Muchos equipos actuales de diagnóstico y tratamiento se basan en la adquisición y análisis de los potenciales eléctricos generados por dif t él l d l hdiferentes células del cuerpo humano.

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IndiceIntroducción

Equipos de consultorio

4

Electrocardiógrafo Electroencefalógrafo

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3

IndiceIntroducción

Equipos de consultorio

5Electromiógrafo

IndiceIntroducción

Equipos portátiles

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Holter Marcapasos

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Indice

• Los potenciales eléctricos de origen biológico se denominan“potenciales bioeléctricos” o simplemente “biopotenciales”.

BiopotencialesEventos Bioeléctricos

potenciales bioeléctricos o simplemente biopotenciales .

• El registro de estos biopotenciales permite estudiar el comportamientoeléctrico de los diferentes órganos o sistemas del cuerpo humano.

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Indice• El ánalisis visual o automático de los registros obtenidos da origen a

varias técnicas de diagnóstico.

Eventos Bioeléctricos

Electrocardiografía(ECG)

Electroencefalografía(EEG)

8

Electromiografía(EMG)

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Indice

• Además de las técnicas anteriores de diagnóstico existen otrastécnicas basadas en biopotenciales menos conocidas pero de gran

Eventos Bioeléctricos

técnicas basadas en biopotenciales menos conocidas pero de granpotencialidad clínica.

Interfaz cerebro-computadora basada en EOG

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Electrooculografía(EOG)

Indice

•Otras técnicas combinan el uso de la adquisición de varias señales de origen bioeléctrico.

Eventos Bioeléctricos

Polisomnografía(PSG)

Registro de varias señales biomédicas durante el SUEÑO

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Imagen Comercial Laboratorio de sueño

• Este estudio está indicado para personas con trastornos de sueño.

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Indice

• En un estudio polisomnográfico deben registrarse varias señalesen la cabeza del paciente.

Eventos Bioeléctricos

EOG 1

EOG 2

EMG

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EEG

• Asimismo debe evaluarse la actividad cardíaca y respiratoria delpaciente.

Indice

Polisomnografía(PSG) ¡¡¡Hasta 15 señales y signos vitales diferentes!!!

Eventos Bioeléctricos

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Indice

EOG 1

EOG 2

Eventos Bioeléctricos

Reg

istr

o P

SG

EMG

EEG 1

EEG 2

EEG 3

EEG 4

EMG

13¡¡¡Señales muy diferentes en amplitud y frecuencia!!!

R RESP 1

RESP 2

EGC

SaO2

IndiceSeñales Bioeléctricas

Electrocardiograma (ECG)

• Las células cardíacas posen en reposo una diferencia de potencialentre el interior y exterior de la membrana celularentre el interior y exterior de la membrana celular

• Si una célula es excitada con un estímulo eléctrico de intensidad adecuada se produce un intercambio de iones a través de la membrana dando comoresultado un “Potencial de Acción”.

PTR = Potencial Transmembrana deReposo (-90 mV)

PU = Potencial Umbral ( ≈ -70 mV)

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( )

Fase 0 = Despolarización

Fase 1 = Polarización inversa

Fase 2 = Meseta (o Plateau)

Fase 3 = Repolarización final

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Indice

Electrocardiograma (ECG)

Señales Bioeléctricas

• El ECG es el resultado de la superposición de los poten-ciales de acción de las células

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de las células cardíacas.

IndiceElectrocardiograma (ECG)

Señales Bioeléctricas

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IndiceElectroencefalograma (EEG)

• El EEG es el registro gráfico de la actividad eléctrica del cerebro.

Señales Bioeléctricas

• El EEG está formado por varios ritmos cerebrales conocidos como:

• δ (f < 4 Hz)

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• θ (4 Hz < f < 8 Hz)

• α (8 Hz < f < 14 Hz)

• β (14 Hz < f < 30 Hz)

IndiceElectroencefalograma (EEG)

• El EEG presenta diferentes fases o estadíos durante el sueño.

Señales Bioeléctricas

Awake: Despierto

Estadío 1: Somnolencia

Estadío 2: Sueño ligero

Estadío 3: Sueño normal

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Estadío 3: Sueño normal

Estadío 4: Sueño profundo

REM: Movimiento ocular rápido

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IndiceElectromiograma (EMG)

• El EMG es el registro gráfico de la

Señales Bioeléctricas

g gactividad eléctrica muscular.

• El EMG es el

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resultado de la suma de potenciales de acción de las fibras musculares

IndiceElectrooculograma (EOG)

• El ojo humano se comporta como un “dipolo” teniendo la córnea un potencial positivo y la retina un potencial negativo.

Señales Bioeléctricas

potencial positivo y la retina un potencial negativo.

• Los movimientos ocularesproducen cambios en laorientación espacial deldipolo que pueden serregistrados con electrodoscolocados en la cercanía delos ojos.

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Indice

Valores típicos de las señales bioeléctricas

Señales Bioeléctricas

Lugar Nombre del registro Amplitud Ancho de Banda [Hz]

Células Electrograma (EG) Registro IntracelularRegistro Extracelular

50 ‐ 100 mV2 ‐ 3 mV

DC – 100001000 ‐ 10000

Corazón Electrocardiograma (ECG)  ConvencionalAlta resolución 

0.5 ‐ 3 mV0.5 ‐ 3 mV

0.05 – 1000.05 – 250

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Cerebro Electroencefalograma (EEG) 5 – 300 µV 0.1 ‐ 100

Músculo Electromiograma (EMG) 0.1 – 5 mV 50 – 5000

Ojo Electrooculograma (EOG) 50 µV ‐ 350 mV 0.1 ‐ 10Hz

Estómago EGG (electrogastrograma) 10 ‐ 1000 mV DC ‐ 1

Indice

Valores típicos de las señales bioeléctricas

Señales Bioeléctricas

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Indice• Un electrodo es un dispositivo que puede ser usado para:

- Medir un evento bioeléctrico Bajas densidades de corriente

Electrodos

- Estimular un tejido excitable Altas densidades de corriente

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• Los electrodos pueden ser de contacto óhmico o capacitivo

• La mayoría de las señales bioeléctricas son captadas con electrodos de contacto óhmico que son puestos en contacto con el tejido a estudiar por medio de un electrolito.

IndiceInterfase electrodo-electrolito

Electrodos

• El electrodo consiste de átomos de un metal C. El electrolito es una solución acuosa que contiene cationes (iones positivos) del electrodo metálico C+ y aniones (iones negativos) de la solución

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g )acuosa A-.

• La interfase electrodo-electrolito puede ser modelada como una fuente de tensión continua (DC), un capacitor y una resistencia.

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Indice

El t i l d ll d l i t f l t d l t lit

Potencial de electrodo

Electrodos

• El potencial desarollado en la interfase electrodo-electrolito se denomina “potencial de media celda”

• Este potencial depende del metal usado en el electrodo y de la solución usada en el electrolito.

• Este potencial varía también con la temperatura.

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Este potencial varía también con la temperatura.

• En los electrodos usados comúnmente en Bioinstrumentación, este potencial de DC es mucho mayor que la amplitud de la señal a medir, por lo que debe ser eliminado o filtrado.

Indice

Potencial de electrodo

Electrodos

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Indice

• Además del potencial de media celda, cada electrodo tiene una i d i i d l i l d l i f á d l

Impedancia de electrodo

Electrodos

impedancia asociada a los materiales de la interfase y área del electrodo.

• Warburg propuso un modelo simplificado de la interfase electro-electrolito basado en un circuito RC en serie con un potencial E

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• Este modelo presenta el inconveniente de que la impedancia es infinita para f=0. Ello no ocurre en la práctica, por lo que se agrega una resistencia Rf en paralelo

IndiceElectrodos

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Indice

• La medida de los potenciales bioeléctricos en un sujeto requiere

Electrodos sobre un sujeto

Electrodos

de dos electrodos.

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Indice

• El amplificador de un equipo registrador de eventos bioeléctricos

Impedancia de entrada del amplificador

Electrodos

debe medir el potencial bioeléctrico sin drenar corriente.

• Para ello, la impedancia de entrada (Zin) del amplificador debe ser mucho más alta que la impedancia del electrodo en todo el rango de frecuencia del evento bioeléctrico.

• Si la Zin no es alta, se produce distorsión en la señal medida:- Reducción en amplitud del evento eléctrico.

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- Se modifica la morfología de la señal, debido a que la amplitud y faseson diferentes para cada componente espectral.

- La impedancia no será lineal y dependerá de la amplitud del eventobioeléctrico

• Dado que la impedancia del electrodo varía en forma inversa con el área del mismo, para microelectrodos se requiere usar amplificadores con altísima impedancia de entrada.

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IndiceTipo de electrodos

Electrodos

• SUPERFICIALES Para medir potenciales ECG EEG y EMG• SUPERFICIALES Para medir potenciales ECG, EEG y EMGen la superficie de la piel.

• PERCUTÁNEOS Atraviesan la piel para registrar potencialesEEG en una región específica del cerebro opotenciales EMG en un músculo.

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• MICROELECTRODOS Para medir potenciales bioeléctricoscerca o dentro de una célula.

Indice

Electrodos Superficiales

Electrodos

R i t l t i l di t t l fi i l- Registran los potenciales directamente en la superficie corporal, por lo que no son invasivos.

- Para obtener un buen registro con bajo nivel de ruido debe reducirse la impedancia electrodo-piel.

1) Afeitar la zona y limpiar con alcohol hasta enrojecer la piel

2) Fijar correctamente el electrodo para reducir artefactos de movimiento

3) Aplicar soluciones electrolíticas o gel entre el electrodo y la piel

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• Electrodos de placa y disco.

• Electrodos de succión.

• Electrodos huecos o flotantes.

• Electrodos flexibles.

• Electrodos secos.

- Los electrodos superficiales se clasifican en

) p g y p

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(a) Electrodo de

Electrodos de placa y de disco

Electrodos

(a) Electrodo de placa de metal utilizado para su aplicación a las extremidades.

(b) Electrodo de disco de metal aplicado con cintaquirúrgica.

(c) Electrodos desechables en forma de disco, utilizados con equipos de monitorización electrocardiográfica. 33

Electrodos de succión

Electrodos

Electrodo metálico de succión (utilizado en las derivaciones precordiales de los electrocardiógrafos).

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Estos electrodos ofrecen mayor estabilidad al movimiento.

Electrodos huecos o flotantes

Electrodos

Anillo de cinta adhesiva

Empaquetado para aislamiento

Disco de metal

Gel electrolito en reposo(a)

A A Cl

(a) Electrodo con estructura de sombrero de copa. 

(b)

Ag-AgCl Agarre externo

Copa plástica

Placa

Disco plástico

Soporte aislante Lazos capilares

Material celular muerto

Capa en germinación

Esponja protegida por Gel

(b) Electrodo desechable 

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Electrodos huecos o flotantes

Electrodos

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Electrodos flexibles

Electrodos

‐ Estos electrodos combinan adhesivo, electrolito y electrodo en una únicaestructura

a) Electrodo de carbono rellenado con goma de silicona.

b) Electrodo neonatal de

estructura.‐ Se ajustan a la estructura corporal‐ Uso en ECG y EMG

b) Electrodo neonatal de película fina.

c) Vista en sección del electrodo de película fina en b).

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Electrodos Secos

Electrodos

- No usan gel ni electrolitos- No usan gel ni electrolitos- Están basados en semiconductores

38http://www.orbitalresearch.com/Medical/dry-electrodes-intro.htm

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Electrodos Secos

Electrodos

39http://www.orbitalresearch.com/Medical/dry-electrodes-solution.html

- Atraviesan la piel del paciente (son invasivos).

Electrodos Percutáneos

Electrodos

- Al estar directamente en contacto con la zona a estudiar, se registran potenciales de mayor amplitud.

- Son menos susceptibles a los artefactos de movimiento por lo que los registros tienen menos ruido.

- Se usan en aplicaciones de EEG y EMG.

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Electrodos de aguja y profundos

Electrodos

a) Electrodo de aguja aislada.b) Electrodo Coaxial de aguja.c) Electrodo Bipolar coaxial.d) Electrodo de alambre fino

conectado a una aguja hipodérmica antes de ser insertado.

e) Vista en corte seccional de la piel y el músculo que muestra la colocación del electrodo de alambre fino.

f) Vista en corte seccional de la piel y el músculo que muestra la colocación del electrodo aislado de alambre fino.

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(a) Electrodo de

Electrodos para electrocardiografía fetal

Electrodos

(a) Electrodo de Succión. 

(b) Vista en secciónde un electrodo de succión en suubicación, quemuestra la penetración del pdispositivo a través de la epidermis. 

(c) Electrodo en forma de hélice quees acoplado a la pieldel feto mediante unaacción de atornillado. 42

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Electrodos

Electrodos Implantables

(a) Electrodo de lazo de alambre.

(b) Electrodo de esfera de plata para potenciales corticales.

(c) Electrodo multielementoprofundo.

(d) Electrodo para marcapasos

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ContactsInsulated leads

Ag/AgCl electrodes

Electrodos

Arreglo de electrodos

‐Se usan para sensar varios potenciales

TinesExposed tip

(b)

BaseAg/AgCl electrodesContacts

‐Se usan para sensar varios potencialessimultáneamente

‐ Se usan en ECG y EEG

Ejemplos de arreglos de electrodos: (a) Arreglo de electrodos unidimensional(b) Arreglo bidimensional, y (c) Arreglo tridimensional

(c)

Base

BaseInsulated leads

(a)

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- Son electrodos usados para estudiar la actividad eléctrica de una célula.

Microelectrodos

Electrodos

- Deben tener dimensiones más pequeñas que la célula a estudiar (ej: una célula cardíaca tiene un diámetro de 20 µm, por lo que el electrodo intracelular tiene una diámetro de 2 µm).

- Se requiere equipos complejos para su inserción en la célula así también amplificadores especiales (con altísima impedancia de entrada).

- Se usan en aplicaciones de investigación.

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Electrodos

Microelectrodo Metálico

Estructura de un microelectrodo de metal para toma de muestras intracelular.

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Microelectrodo metálico

Electrodos

(a) Microelectrodo metálicoaislada con vidrio.

(b) Microelectrodo de láminametálica y alma de vidrio

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Metal rod B

N = NucleusC = Cytoplasm

A

A

R

Insulation

Electrodos

Circuito equivalente de microelectrodo

Tissue fluidMembranepotential

N

C

B

(a) (b)

Referenceelectrode

RmbRma

EmbEma

EmpRi Re

CmbCmaCdi

Cd2

Rs CwCdCellmembrane

++ +

++

+++

++

++++++++++++

Circuito equivalente de microelectrodometálico(a) Electrodo situado en una célula quemuestra el origen de microcapacitancia. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuitoequivalente. 

EmpMembraneandactionpotential

Cma

Rma

Cd + Cw

Ema - Emb

E

0

A

(c)

B

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El metal del electrodo no está en contacto con la célula sino a través de unasolución electrolítica

Micropipeta de vidrio

Electrodos

solución electrolítica

(a) Sección que muestracapilar de vidrio.

(b) Capilar estrechadomediante calentamiento y compresión.

(c) Estructura final del microelectrodo pipeta de vidrio.

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A B

Glass

A BTo amplifier

Electrolyteinmicropipet

Electrodos

Ema

Rma

Rt

Ri Re(b)

Emb

RmbCmb

Ej

Et

Cma

Cd

Cellmembrane

Tip++

+

++

+

+++

+++++

Taper

Internal electrode

micropipet

Stem

Referenceelectrode

CytoplasmN = Nucleus

N

Environmentalfluid

Cd

Circuito equivalente de un electrodo micropipeta de vidrio(a) Electrodo situado en una célula que muestra el origen de la microcapacitancia distribuida. (b) Circuito equivalente. (c) Simplificación del circuito equivalente. 

(b) Emp

Rt

Em

A

B

Membraneandactionpotential

(c)

Emp

Em = Ej + Et + Ema- Emb

Cd = Ct0

+ +

+ + + + + +

(a) Cell membrane

N = Nucleus

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Bonding pads

SiO2 insulated Insulatedl d i

Electrodos

Microelectrodos basados en tecnología microelectrónica

Si substrateExposed tips

Lead viaChannels Silicon chip

Miniatureinsulatingchamber

Hole

Au probes

Silicon probe

Exposedelectrodes

lead vias

(b)(a)

(a) Electrodo múltiple en forma de abanico. (b) Multielectrodo de silicona(c) Electrodo Multiple‐cámara(d) Electrodo para nervio periférico

Lead via

Electrode

Silicon probe

chamber

Contactmetal film

(d)(c)

5151

Indice

PROBLEMÁTICA DE LA ADQUISICIÓNDE LAS SEÑALES BIOELÉCTRICAS

Ruido

• El principal problema de la adquisición de las señales bioeléctricas proviene de los valores de amplitud y frecuencia de las mismas.

• Dichas amplitudes son pequeñas y a menudo se encuentran contaminadas de ruido que incluso puede ser superior al valor de la propia señal.

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- Ruido blanco

- Interferencia de línea

- Ruido electrofisiológico

Origen externo

Origen interno

p p

• Diferentes fuentes de ruido contaminan usualmente las señales:

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Indice

Ruido Blanco

Ruido

• Originado por ruido térmico en los amplificadores, g p p ,electrodos, etc

Ventaja:

- Normalmente el ruido posee características estacionarias

- La señal de interés y el ruido no estan correlados entre sí

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Inconveniente:

- Afecta todo el espectro de la señal (blanco)

La señal de interés y el ruido no estan correlados entre sí

Indice

Ruido Blanco

Ruido

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Indice

Interferencia de línea

Ruido

• Originado por dispositivos eléctricos (motores,fluorescentes, interruptores, etc)

Ventaja:

- Puede ser eliminado fácilmente con filtros ranura (notch)

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Inconveniente:

- La interferencia de línea (50 o 60 Hz) suele iracompañada de sus armónicos.

Indice

Interferencia de línea

Ruido

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Indice

Interferencia de línea

Ruido

f = 60 Hz (frec. fundamental)f = 180 Hz (3er armónico)

f = 300 Hz(5to armónico)

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Indice

Ruido Electrofisiológico

Ruido

• Son señales de origen biológico que se superponen con la señal de interés (EMG en ECG o viceversa)

Inconvenientes:

- Los espectros de la señal de interés y del ruido se

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encuentran normalmente solapados

- La señal de interés y el ruido pueden estar correladosentre sí

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Indice

Ruido Electrofisiológico

Ruido

Ruido EMG

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Indice

Ruido Electrofisiológico

Ruido

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Deriva de línea de base ocasionada por la respiración

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Indice

Ruido Electrofisiológico

Ruido

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Deriva de línea de base ocasionada por la respiración

Indice

Ruido Electrofisiológico

Ruido

ECG abdominal de una mujer embarazada

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¡¡El EGC de la madre interfiere al ECG del feto!!