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Mediciones en Electrofisiología
BIOINSTRUMENTACIÓN II
Dr. Ing. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica
Universidad Nacional de San [email protected]
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
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Electrocardiógrafo Electroencefalógrafo
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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)
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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)
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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
60
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!!