Bioimpedanciómetro: Medição de Impedância Corporal

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TECNOLQ(jlCO 
DE MONTE:RREY 
Instituto Tecnológico y de Estudios Sup1eriores de Monterrey 
Campus Ciudad de Méi~ico 
División de Ingeniería y Arquitectura 
Departamento de Ingeniería Eléctrica y .Electrónica 
Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones 
Bioimpedanciónnetro 
Autores: 
Aldo Castellanos Gordillo 
Osear Fuentes Sánchez 
Raymundo Rodríguez García de León 
Eduardo González Arellano 
Profesor: 
Dr. Jorge Brieva 
Asesores: 
lng. Jesús Mejía 
lng. Luis Montesinos 
M. en C. José Castillo 
 
 
 
 
TECNOLÓGICO 
DE MONTERREY• 
México DF a 2 de diciembre de 2005. 
, 
Indice 
1 . Problemática 
2. Objetivos 
3. Marco teórico 
3.1 Conceptos y definiciones 
3.1.1 Composición de la célula 
3.1.2 Cantidad total de agua en el cuerpo y cantidad de tejido magro 
3.1.3 Diálisis y Hemodiálisis 
3.2 ¿Cómo se mide la impedancia? 
3.2.1 Modelos sencillos 
3.2.2Modelos del cuerpo asociados con la impedancia 
3.3 Seguridad sistema - paciente 
3.3.1 Frecuencia 
4. Sistema propuesto 
4.1 Etapa Electrónica 
4.1.1 Generador de funciones XR2206 
4.1.2 Convertidor voltaje-corriente 
4.1.3 Amplificador de Instrumentación 
4.1.4 Filtrado 
4.1.5 Convertidor de precisión CA - CD 
4.1.6 Amplificador sumador inversor 
4.1. 7 Sistema electrónico completo 
4.1.8 Sistema de alimentación 
4.2 Etapa Digital 
4.2.1 Justificación de la utilización de un DSP familia C2000 de Texas 
lnstruments (TMS320 F2808) 
4.2.2 Digitalización 
5. Método de Piccoli 
5.1 Desarrollo y pruebas de interfaz 
6. Resultados y pruebas 
6.1 Interpretación de resultados con el método de Piccoli 
7. Conclusiones y perspectivas 
Anexo 1: Programa DSP 
Anexo 2: Programa Piccoli 
Bibliografía 
Bioimpedanciómetro 
Índice 
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Índice de figuras y tablas 
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Indice de figuras y· tablas 
Figura 1: Posicionamiento de los electrodos, análisis de bioimpe·dancia eléctrica de fluidos y 
composición corporal. 
Figura 2: Diagrama de bloques ejemplificando como se realiza la hemodiálisis. 
Figura 3: Diagrama general del riñón. 
Figura 4: Ejemplo del modelo eléctrico de un segmento del cuerpo. 
Figura 5: Toma de medida de impedancia en cuatro terminales. 
Figura 6: Modelo alterno del circuito. 
Figura 7: Maneras alternas de colocar los electrodos. 
Figura 8: Medidas típicas obtenidas. 
Figura 9: Ejemplificación gráfica de corrientes. 
Figura 1 O: Gráfica de las frecuencias en la corriente aplicada al cuerpo. 
Figura 11: Diagrama general del funcionamiento del sistema. 
Figura 12: Multiplexor analógico CD4051 B. 
Figura 13: Diagrama de funcionamiento de XR2206. 
Figura 14: Convertidor voltaje-corriente. 
Figura 15: Amplificador de instrumentación. 
Figura 16: Función de transferencia del amplificador de instrum•~ntación. 
Figura 17: Filtro pasa-bajas de segundo orden. 
Figura 18: Convertidor CA-CD. 
Figura 19: Amplificador sumador inversor. 
Figura 20: Esquema de la etapa electrónica completa. 
Figura 21: Forma de alimentar el sistema. 
Figura 22: Regulador de voltaje 79XX. 
Figura 23: Modulo DSP. 
Figura 24: Sistema del ADC. 
Figura 25: Selección del canal a digitalizar. 
Figura 26: Señal digitalizada. 
Figura 27: Caracterización del defasamiento. 
Figura 28: Ejemplo de gráfico vectorial según Piccoli. 
Figura 29: Ejemplificación de gráficas de Piccoli. 
Figura 30: Ejemplo de elipses de confidencia de distintas poblaciones. 
Figura 31: Interfaz gráfica para seleccionar genero. 
Bioimpedanciómetro 
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Índice de figuras y tablas 
Figura 32: Interfaz para graficar punto (hombres). 
Figura 33: Interfaz para graficar punto (mujeres). 
Figura 34: Generación de frecuencia a 1 kHz. 
Figura 35: Generación de frecuencia a 5kHz. 
Figura 36: Generación de frecuencia a 1 OkHz. 
Figura 37: Generación de frecuencia a 50kHz. 
Figura 38: Generación de frecuencia a 1 OOkHz. 
Figura 39: Generación de frecuencia a 225kHz. 
Figura 40: Simulación P-Spice convertidor voltaje corriente. 
Figura 41: Simulación en P-Spice amplificador de instrumentación. 
Figura 42: Respuesta del amplificador de instrumentación en osciloscopio. 
Figura 43: Filtro pasabalas a 50kHz. 
Figura 44: Filtro pasabalas a 225kHz. 
Figura 45: Convertidor CA-CD simulado P-Spice. 
Figura 46: Convertidor CA-CD osciloscopio. 
Figura 47: Caracterización de la resistencia. 
Figura 48: Ejemplo de cambios en los vectores según Piccoli. 
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Figura 49: Representación gráfica de los valores de resistencia y reactancia basado en vectores 
de impedancia bioeléctrica. 48 
Tabla 1: Valores de corriente y efectos sobre el cuerpo humano. 
Tabla 2: Valores de resistencia acorde a la frecuencia de operación. 
Tabla 3: Tabla de verdad del multiplexor analógico. 
Tabla 4: Variables que incluyen las ecuaciones de predicción. 
Tabla 5: Ejemplo de poblaciones normales según Piccoli. 
Tabla 6: Caracterización de la resistencia. 
Tabla 7: Indicaciones para la medición correcta del bioimpedianciómetro. 
Bioimpedanciómetro 
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Problemática 
1. Problemática 
El sistema renal es el encargado de eliminar las sustancias de desecho, resultado del proceso de 
absorción de nutrientes; además, brinda equilibrio hidroelectrolítico, regula la presión arterial y 
produce hormonas para la formación de hueso y glóbulos rojos. Su colapso deriva en situaciones 
críticas para el individuo, pues además de la acumulación de sustancias altamente tóxicas para la 
salud, altera la producción de glóbulos rojos, el metabolismo dE~ los huesos y la correcta nutrición. 
Tras el colapso o mal funcionamiento de los riñones, el individuo requiere de tratamientos que 
sustituyan el funcionamiento de estos órganos e impidan un fallo permanente como lo es, la 
insuficiencia renal. 
Uno de los tratamientos más conocidos pero también más drásticos que sustituyen la 
función del riñón, es la diálisis. Este método, pese a que permite la limpieza de la sangre, tiene el 
problema de ser invasivo -es decir, agresivo para el paciente-, molesto, desgastante y altamente 
doloroso. Además, aunado al proceso de diálisis peritoneal se i:mcuentran otros métodos como la 
hemodiálisis, utilizada para enfermos con problemas hepáticos como es el síndrome hepato renal y 
también por personas cuya insuficiencia renal es total, tratamientos que si bien son necesarios, 
pueden desencadenar otros problemas a largo plazo. Así, estos métodos invasivos desgastan el 
metabolismo y su uso excesivo puede ser nocivo para c1quellos que se encuentran bajo 
tratamiento, provocando así, desnutrición. 
Por otro lado, el sobrepeso y la obesidad ocupan, cada vez más, una preocupación central 
en la salud de la población; sin embargo, este factor no es el parámetro ideal para determinar el 
estatus nutricional de los individuos. En este sentido, se requiere tener mayor conocimiento sobre 
grasa, masa muscular, masa intracelular, y sobretodo, y más importante aún, saber el grado de 
depleción entre los componentes. Es sólo a través de esta forma, en que se pueden conocer los 
parámetros nutricionales reales en los que el paciente se encuentra. Sin embargo, la mayoría de 
los estudios que revelan dichos datos, no son integrales, y peor aún, su costo es excesivo para la 
media poblacional. 
Todos estos factores -los problemas renales y hepáticos-, hacen imperante el desarrollo de 
métodos más prácticos y funcionales para los pacientes, pero más aún, es necesaria la 
elaboración de un sistema que, pensando en el pleno desarrollo humano, permita la integridad 
física y anímica de quienes lo requieren. 
Ante esta situación, nosotros por parte del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores 
de Monterrey en conjuntocon el Instituto Nacional de Nutrición Salvador Zubirán, construiremos un 
sistema que a través del uso de la bioimpedancia de tejidos, permita determinar variables 
adecuadas, para de esta forma, conocer la cantidad de diálisis que requerirá un paciente -evitando 
problemas graves de desnutrición-, y que además, sea capaz ele entregar datos como el índice de 
masa corporal (IMC), masa muscular, tejido graso, líquido intracelular, líquido extracelular y nivel 
Bioimpedanciómetro 
Problemática 
de electrolitos en el cuerpo de manera rápida, con un bajo costo, confiable y de forma no invasiva, 
todo, con base a la variación de frecuencias (Hz). 
Bioimpedanciómetro 2 
Objetivos 
2. Objetivos 
Objetivo general: 
Construir un sistema electrónico con mayor capacidad de excitación (extensión de frecuencias con 
respecto a otros dispositivos) capaz de medir el índice de masa corporal, masa muscular, tejido 
graso, líquido intracelular, líquido extracelular y nivel de electrolitos en el cuerpo de manera segura 
y de forma no invasiva, aplicando el principio de impedanciometría graficando nuestros resultados 
con base en el método de Piccoli para que el medico pu,eda dar un diagnostico confiable 
rápidamente. 
Objetivos específicos: 
Además de contribuir a los avances en investigación biomédica y tecnológica para el desarrollo de 
métodos más eficientes para el paciente, otros objetivos específicos son: 
• Aplicar conocimientos de electrónica y comunicacionE!S para elaborar un sistema que 
contribuya a la integridad y salud de la sociedad. 
• Desarrollar un sistema que permita conocer distintos índices de nutrición. 
• Elaborar un dispositivo que sea de fácil acceso por su bajo costo de producción. 
Objetivo técnico: 
Desarrollar un dispositivo electrónico que determine la bioimpedancia (ángulo y voltaje de una 
señal proveniente del paciente), y que a través del método de Piccoli (graficación de resultados con 
curvas de tolerancia y vectorialmente), pueda realizar una precisa medición de niveles de fluidos y 
electrolitos. 
Objetivos técnicos específicos: 
• Diseñar un bioimpedanciómetro. 
• Digitalizar señales de 1 kHz, SkHz, 1 OkHz, SOkHz, 1 OOkHz y 225kHz. 
• Desarrollo de la interfase de diagnostico que visualice las medidas de interés y los pueda 
comparar con el método de Piccoli. 
• Validar el sistema comparando con otros sistemas exist,3ntes en el mercado. 
Bioimpedanciómetro 3 
Marco teórico 
3. Marco teórico 
El desarrollo de biotecnología se hace cada vez más necesaric, para avanzar en el camino de la 
salud social. De esta forma, la elaboración de dispositivos específicos y evolucionados, brindan la 
posibilidad de otorgar al paciente mejores posibilidades y mayor calidad de vida. La ingeniería en 
electrónica y comunicaciones puede contribuir a la elaboración ele nuevos mecanismos y sistemas 
que contribuyan al avance de la especialidad biotecnológica, y para ello, es necesaria la 
construcción de un marco teórico que sustente y valide los resultados obtenidos. 
Puesto que el sistema propuesto es un dispositivo que se! va a utilizar en el cuerpo humano 
introduciendo corrientes y manejando al cuerpo como un circuito eléctrico consideramos necesario 
el dar una teoría biomédica básica. Además, debido a que el proyecto mide datos a través de la 
impedancia, es importante entender el funcionamiento del sistema así como el objetivo de la 
impedanciometría. 
3.1 Conceptos básicos y definiciones 
3.1.1 Composición de la célula 
La célula constituye la unidad fundamental de todos los si:lres vivos, y en ella, está prescrita 
una naturaleza bioeléctrica. Las células están inmersas en un líquido extracelular (LEC), y tienen 
un contenido líquido intracelular (LIC). A su vez, el LEC está compuesto por líquido intersticial que 
baña a todas las células y queda fuera del plasma sanguíneo; y por plasma sanguíneo, que llena el 
sistema vascular. La suma de estos elementos es lo que determina la naturaleza de bioeléctrica de 
las células, pues estos fluidos son de esencia electrolítica ya quH en ellos, se encuentran disueltas 
sales como el cloruro de sodio (NaCL) y el cloruro de calcio (CaCL2). Además, las células 
mantienen un delicado balance químico que dicta, entm muchas otras funciones, su 
comportamiento eléctrico. 
Todas las células en el cuerpo se encuentran agrupad3s formando tejidos, mismos que 
pueden ser excitables y no excitables. El tejido excitable es aque,I que produce una respuesta ante 
un estímulo como son los receptores sensoriales, cuerpos neuronales, fibras musculares y algunas 
glándulas. Para poder estimular un tejido, se debe hacer pasar una corriente a través de él, ya que 
los tejidos no responden a voltajes; estas corrientes generalmente producen que el tejido muscular 
se contraiga 1. 
1 La seguridad eléctrica será tratada posteriormente. Resulta sumamente importante conocer la naturaleza de las 
corrientes que pueden dañar el cuerpo, evitando así, poner en riesgo al paciente. 
Bioimpedanciómetro 4 
Marco teórico 
Las propiedades bioeléctricas de un organismo dependen de la geometría del mismo y sus 
resistividad especifica; esta última, varía en función de la comp,osición de tejido y de la frecuencia 
de la señal de prueba. [Crz] En 1969 se propuso que la geometría compleja del cuerpo humano se 
tratara como un conductor simple, uniforme de forma cilíndrica. A partir de este principio, se hace 
posible el cálculo del volumen del cilindro, volumen que puede ser interpretado con respecto a la 
composición del cuerpo, si a este se le percibe como un conjunto de varios componentes que 
difieren en resistividad puestos en paralelo. 
La resistividad del tejido adiposo es considerablemente mayor a la del tejido muscular y la 
diferencia, es en proporción al contenido de agua de estos tejidos. De esta diferencia es posible 
razonar que la grasa que no tiene tanta agua no es un buen conductor debido a su alta resistencia, 
mientras que la masa libre de grasa es un muy buen conductor; así, los resultados dependerán de 
la señal de prueba que podamos arrancar de la masa libre de grasa. [Lee] Algo importante a 
considerar es la concentración de electrolitos en los fluidos corporales, pues representan un 
problema al ser solamente constantes en personas saludables. 
Por ejemplo, para frecuencias entre 1 OOHz y 1 OOMhz las membranas celulares tienen una 
permitividad eléctrica baja y por tanto, la impedancia refleja solamente el fluido extracelular. A 
frecuencias más altas, la resistencia de las membranas celulares comienzan a ceder debido a la 
capacitancia de las células. A 300MHz se puede decir que no hay ninguna diferencia entre lo 
externo y lo interno por tanto, con altas frecuencias, se obtiene la cantidad total de agua de la 
célula y por ende, del cuerpo. 
Cuando el objetivo es medir la impedancia en humanos, la longitud del conductor es 
tomada como la estatura del individuo; la resistencia y la reactancia del cuerpo entero se calculan 
mediante el voltaje arrojado entre los electrodos con corriente y un electrodo detector adyacente. 
Los electrodos se colocan en muñecas y talones como lo muestra la Figura 12• 
La bioimpedancia generalmente es medida con el paciente recostado y con las 
extremidades alejadas del tórax. Para no verse afectada la medición, el individuo debe estar 
descansado y sin haber practicado ningún tipo de ejercicio y en c1yunas. 
Figura 1: Posicionamiento de los electrodos, análisis de bioimpedancia eléctrica de fluidos y composición 
corporal. [Luk] 
2 Diversos estudios publicados han usado el método tetrapolar, utilizando electrodos con aluminio y gel. 
Bioimpedanciómetro 5 
Marco teórico 
Con todo lo anterior, se puede concluir que la bioimpedanciometría es un método rápido y 
confiable que posibilita determinar con precisión la cantidad total de agua en el cuerpo y la 
cantidad de masa muscular comparado con otras técnicas antropométricas. 
3.1.2 Cantidad total de agua en el cuerpo y cantidad die tejidomagro 
Un tercio de la población sometida a diálisis o hemodiálisis sufre de problemas nutricionales como 
consecuencia de estos tratamientos, pues es común que componentes como el hierro se filtren y 
queden eliminados del organismo. Por otro lado, la precisa determinación de la cantidad total de 
agua contenida en el cuerpo es importante para el tratamiento ele diálisis; sin embargo, muchos de 
los métodos existentes para determinar esto no son nada exact1:>s, son invasivos y muy laboriosos, 
y de hecho, sólo algunas fórmulas estadísticas y la bioimpedc1nciometría resultan eficaces en la 
medición. En este sentido, estudios realizados por diversas instituciones a nivel mundial, concluyen 
que la aplicación de estos métodos -impedanciometría y fórmulas antropométricas- en población 
saludable, tienen la misma eficacia, sin embargo, en paciemtes bajo tratamiento de diálisis 
peritoneal, las fórmulas antropométricas no son lo suficientemt:mte sensibles para detectar casos 
de desnutrición3• 
Cabe recalcar la importancia que para nuestro estudio tiene el saber la cantidad total de 
agua en el cuerpo, pues nuestro sistema se basa en la conductividad y en el principio de que la 
masa sin grasa tiene un mayor número de electrolitos, pero que funciona de manera óptima con 
una hidratación adecuada. 
Con el sistema propuesto, al pasar una corriente de 800pA a 50Khz de frecuencia lo que se 
está calculando es cierta cantidad de fluidos existente en el cuerpo, para determinar así, que el 
paciente sometido a diálisis/hemodiálisis no esté deshidratado y corra riesgos mayores. En este 
sentido, la impedancia bioeléctrica es un método no invasivo muy seguro y rápido, además de ser 
eficaz para calcular la cantidad total de agua en el cuerpo y la cantidad de tejido magro. 
3.1.3 Diálisis y hemodiálisis 
Los riñones son responsables de eliminar los desechos del cue1·po, regular el equilibrio electrolítico 
y la presión sanguínea, al igual que estimular la producción de glóbulos rojos. Los riñones 
funcionan como filtros para la sangre, removiendo productos de la degradación de aminoácidos. 
Además de ello, sirven para retomar y regular el agua del cuerpo, mantener el equilibrio de 
electrolitos y asegurar que el pH sanguíneo permanezca entre 7.35 y 7.45. La vida no es posible 
sin la función del riñón. 
• Diálisis 
Este procedimiento se realiza para retirar los elementos contaminantes (impurezas o desechos) de 
la sangre cuando los riñones no pueden hacerlo. La diálisis es mucho más frecuente en pacientes 
con insuficiencia renal aunque también se puede usar para remover con rapidez drogas o 
sustancias tóxicas en situaciones agudas. Esta técnica puecle salvar la vida de personas con 
insuficiencia renal crónica. 
3 En cuanto a las formulas antropométricas, una excepción es la Fórmula de Watson, método que ha resultado ser preciso 
pero para la que no existe justificación que la valide del todo. Aún así, la fórmula es menos precisa que la 
bioimpedanciometría. 
Bioimpedanciómetro 6 
Marco teórico 
La diálisis peritoneal se realiza al utilizar la membrana peritoneal del cuerpo que se 
encuentra dentro del abdomen como membrana semipermeable. Se infunden soluciones 
especiales que ayudan a eliminar las toxinas, permanecen en el abdomen por un lapso de tiempo y 
luego se drenan. Esta forma de diálisis se puede llevar a cabo en casa pero debe hacerse de 
manera continua todos los días. 
• Hemodiálisis 
La hemodiálisis se realiza al hacer circular la sangre a través d13 filtros especiales. La sangre fluye 
a través de una membrana semipermeable (dializador o filtro), junto con soluciones que ayudan a 
eliminar las toxinas. La hemodiálisis requiere un flujo de sangre de 400 a 500 mililitros por minuto. 
Una sonda intravenosa en un brazo o pierna no soportará ese volumen de flujo sanguíneo. En 
consecuencia, se requiere un tipo especial de acceso al sistema circulatorio. 
El acceso puede ser temporal o permanente. El primero toma la forma de catéteres para 
diálisis, que son catéteres grandes perforados, colocados en las venas grandes que pueden 
soportar flujos de sangre considerables. La mayoría de los catéteres se usan en situaciones de 
emergencia durante cortos períodos de tiempo. Sin embargo, los catéteres llamados catéteres en 
forma de túnel se pueden usar durante períodos prolongados, a menudo de semanas a meses. 
El acceso permanente es creado uniendo quirúrgicam13nte una arteria a una vena. Esto 
permite que la vena reciba sangre a alta presión, llevando al E!ngrosamiento de la pared venosa. 
Ahora esta vena "arterializada" puede resistir punciones repetitivas y también suministra excelentes 
tasas de flujo sanguíneo. La conexión entre una arteria y una vena se puede hacer utilizando vasos 
sanguíneos (una fístula arteriovenosa o AVF por su sigla en inglés) o un puente sintético (injerto 
arteriovenoso o AVG por su sigla en inglés). 
La fístula arteriovenosa es más deseable debido a que lé1s tasas de infección son muy bajas 
y es muy durable. Puede tomar muchos para que esta fístula madure, por lo que se requiere una 
planeación cuidadosa. 
Se puede tener acceso al injerto arteriovenoso unas cuantas semanas después de su 
creación y se debe intentar sólo si la fístula arteriovenosa no es factible. 
Uno de los avances más importantes en los sistemas prostéticos de la medicina moderna 
es el riñón artificial, el cual, está conectado periódicamente a un sistema encargado de remover 
todos los desperdicios metabólicos que encuentre en la sangre. 
Bioimpedanciómetro 7 
Agua 
Bomba 
medidora 
Cámara de 
mezclado 
Bomba 
Concentrado 
de diálisis 
Bomba 
medidora 
Sangre hacia las venas 
Cámara de 
Intercambio 
(sangre) 
Sangre de las arterias: 
Marco teórico 
Desperdicio 
Bomba 
Figura 2: Diagrama de bloques ejemplificando como sei realiza la hemodiálisis. [Webs] 
Existen dos unidades básicas en el sistema de hemodiálisis: el intercambiador y el sistema 
de entrega dialisable. El intercambiador consiste en la cámara de diálisis misma, el cual, puede ser 
visualizado como un compartimiento que contiene la sangre clel paciente y otro que contiene la 
sustancia que hace la diálisis los cuales, están separados por una membrana semipermeable que 
permite que los desperdicios en la sangre contaminada se eliminen 
Riíión I 
Arteria renal 
Vena renal 
Corteza 
Figura 3: Diagrama general del riñón [Webs] 
Bioimpedanciómetro 
Pelvis 
renal 
Médula 
8 
Marco teórico 
3.2 ¿Cómo se mide la impedancia? 
La impedancia es la oposición que presenta un circuito al paso de la corriente alterna. Es un valor 
vectorial compuesto en su parte real por un valor de resistencia y en su parte imaginaria por un 
valor de reactancia y se calcula de la siguiente manera: 
ec. (1) 
Donde: 
Z = Impedancia medida en Ohms (O) 
R = Resistencia medida en Ohms (O) 
X = Reactancia total medida en Ohms (O) 
El valor anterior corresponde al módulo de la impedancia, mientras que al argumento de la misma 
viene dado por la expresión: 
arg Z = arctan 
1 2efl-~ 
2efC 
R 
ec. (2) 
El valor complejo de la impedancia se puede representar también como: 
Z=R+}X ec. (3) 
En electricidad se utiliza el prefijo j, para denotar números imaginarios con el fin de evitar su 
confusión con el símbolo de la intensidad i. 
El valor de resistencia es constante, sin tomar en cuienta los efectos de temperatura; 
mientras que los de reactancia son una función de la frecuencia. 
3.2.1 Modelos sencillos 
Lidiar con modelos basados en la predicción de la densidad de distribución de la corriente, con sus 
campos eléctricos resultantes y acompañando la actividad fisie>lógica, son difíciles de crear y de 
manejar tanto en la práctica como en la teoría. Por ello, !~eneralmente en los estudios de 
impedanciometría siempre existen modelos muy sencillos; un ej1~mplo de ello está representado en 
la Figura 4, centrándose el modelo en una extremidad y de forma paralelo se estudia el tejido 
muscular, la sangre y el hueso, teniendocomo resultado el que una extremidad se pueda modelar 
como un cilindro de hueso rodeado de músculo y con sangre fluyendo a través de este. 
En el ejemplo, se sugiere una combinación de tres elementos en paralelo con una 
resistencia dependiente de su resistividad y de la longitud entre el área. Esta combinación sugiere 
Bioimpedanciómetro 9 
Marco teórico 
una combinación de tres elementos en paralelo con una resistencia dependiente de su resistividad 
y de la longitud entre el área. Los valores resistivos de la sangre y el músculo harán que estos dos 
componentes dominen en el resultado de la resistencia de dicha extremidad. 
______.. J l l 1 
i_Rª_J _R_']_, -R~mr 
Figura 4: Ejemplo del modelo eléctrico de un segmento del cuerpo. [Lee] 
3.2.2 Modelos del cuerpo asociados con la impedancia 
Las fuentes de error asociadas con la medida de una impedancia en el cuerpo, pueden ser 
analizadas usando el modelo esquematizado en la Figura 5. El analizador de impedancia consiste 
en una fuente de corriente constante a la entrada, para obtener un voltaje de salida; esto, 
idealmente, presenta impedancias infinitas que podemos imaginar como 21 y Zv. El cuerpo es 
modelado como un área homogénea de tejido profundo (Figura 5) con una impedancia total entre 
el voltaje de los electrodos y Zb. 
T ejdo superflciol 
Tejido profundo Z9 
Bioimpedancia 
Figura 5: Toma de medida de impedancia en cuatro terminales. La c,)rriente es introducida en dos de las 
terminales y el voltaje del tejido es recogido por el otro par de electrodos. [Luk] 
Bioimpedanciómetro 10 
Marco teórico 
1 z 
1 
z 
1 z 
1 -1 
@1 Z1 Vm Zv V z Ze 
_j 
1 z 
1 
z 
1 z 
1 
T~do T,,jdo 
Sl4)erl. proM'ldo 
Figura 6: Modelo alterno del circuito. [Luk] 
Está demostrado que la técnica de medición es simple, certera y no invasiva cuando la 
impedancia se mide entre la muñeca y el talón; así mismo, dicho proceso sirve para determinar la 
cantidad total de agua en el cuerpo, así como los cambios de volumen del fluido, ya que distintas 
investigaciones confirman que utilizando múltiples frecuencias, es posible medir la cantidad de 
agua extracelular. 
Usar diferentes frecuencias está basado en la propiedad que las membranas celulares 
tienen, esto es, una bioimpedancia alta a bajas frecuencias lo quH resulta en el paso de la corriente 
en el área extracelular. Aunque la diferenciación entre la cantidad de agua extracelular y la 
cantidad total de agua en el cuerpo es teóricamente posible, hasta hoy, no ha sido completamente 
demostrado que la cantidad de fluido extracelular pueda ser medida aparte en la masa conductora 
del cuerpo. 
En recientes estudios se ha determinado también, que una medida de bioimpedanciometria 
a una simple frecuencia entre la muñeca y el talón, puede ser usada en una relación empírica para 
determinar la cantidad de agua y el porcentaje de esta en el c:uerpo, convirtiéndola así en una 
medida popular para calcular el porcentaje de grasa corporal. 
En síntesis, está comprobado que la simple medición de la muñeca y el talón tiene un rango 
de error pequeño. Esta conclusión es fundamental ya que es la medición aplicable para el sistema 
en desarrollado. Sin embargo, considerando que existe un peque!ñO grado de error en la medición, 
es importante estar plenamente concientes de que no es completamente exacta sino aproximada. 
Existen otras técnicas que, según investigaciones, aseguran arrojar mejores resultados, no 
por ser mejores técnicas sino por que las mediciones, con aplicación en otras regiones del cuerpo, 
pueden dar resultados todavía más aproximados. 
B ioimpedanciómetro 11 
Marco teórico 
• Lado derecho •Brazos •Pierna derecha • Tronco 
Figura 7: Maneras alternas de colocar los electrodos. [Lee] 
La Figura 8 muestra los valores típicos de impedancia obtenidos de las mediciones 
alternas. Como claramente se observa, una medida de talón y muñeca está muy influenciada por la 
impedancia del brazo y de la pierna, y algunos resultados de investigadores especializados, 
enfatizan en sus resultados, la gran influencia de las ramas más distantes entre si. Este 
razonamiento, nos lleva a defender que la medición en talón y muñeca es la más adecuada y la 
más acertada en el caso de tomar sólo una medida, es pues, la más aproximada.[Lee] 
PO 
Figura 8: Medidas típicas obtenidas. [Lee] 
3.3 Seguridad sistema-paciente 
Como previamente se mencionó, el sistema propuesto introduce una corriente eléctrica en el 
cuerpo. A pesar de que se tiene previsto que el trabajo del bioimpedanciómetro se realice con 
corriente directa (baterías de 9 volts), es primordial profundizar en lo concerniente a la seguridad 
eléctrica que se tiene que llevar a cabo al realizar un dispositivo bic,médico. 
La revisión de la literatura muestra un alto número de padentes heridos y accidentes en 
clínicas y hospitales, por el uso de aparatos eléctricos que se con1!ctan al cuerpo. Las causas son 
diversas y van desde la falta de capacitación que se les da a las pE!rsonas en los hospitales para la 
utilización de los dispositivos, hasta fallos eventuales en los sistemas. Pese a esto, existe una 
Bioimpedanciómetro 12 
Marco teórico 
amplia gama de seguridad en el diseño de algunos dispositivos desarrollados, que minimizan los 
riesgos que pueden afectar la integridad del paciente. 
Para el funcionamiento del bioimpedanciómetro, es necesario contemplar al cuerpo humano 
como una parte del circuito, haciendo posible con esto, explicar los efectos que puede tener la 
corriente eléctrica en el paciente. Como el principio lo establece, la magnitud de la corriente será 
igual al voltaje aplicado, divido entre la suma de las impedancias en serie del tejido del cuerpo y de 
las interfases en la entrada; la impedancia más larga es la de la resistencia de la piel en la 
superficie de contacto. 
Hay tres fenómenos básicos que pueden ocurrir cuando la corriente fluye a través de un 
tejido biológico: 
• Estimulación eléctrica del tejido (nervios y músculo). 
• Calentamiento del tejido debido a su resistencia natural. 
• Quemaduras y daño del tejido debido a la corriente directa y altos voltajes. 
T bl 1 V 1 a a a ores e comente y e ectos so re e cuerpo d f b h umano. 
Valores de corriente Posibles efectos en t!I cuerpo humano 
Más de 3 mA Shock doloroso 
Más de 10 mA Contracción muscular 
Más de 30 mA Parálisis pulmonar temporal 
Más de 50 mA Posible falla del corazón, usualmente fatal 
100 mA a 4A Fibrilación ventricular 
Más4A Parálisis cardiaca y quemaduras severas 
Ahondado un poco más, se presentan a continuación, e1I umbral de percepción, umbral de 
movimiento voluntario, parálisis respiratoria, dolor y fatiga, y fibrilación ventricular entre otros 
síntomas. Para ello, se parte de una corriente a 60Hz en un AWG # 8 conectado en cada mano de 
un paciente de 70 Kg. 
• Umbral de percepción: Es la mínima corriente que se puede llegar a sentir. Aunque varía 
considerablemente dependiendo de cada individuo, pode~mos aterrizar que una persona con 
las manos húmedas tomando los cables puede tener un umbral mínimo de 0.5 mA hasta 1 O 
mA, y se puede llegar a tener un calentamiento muy levei en la piel. 
• Umbral de movimientos voluntarios: Es la máxima corriente en donde el paciente tiene 
control de sus músculos, a pesar de que se estuviese eh~ctrocutando. Esto es, debido a que 
con corrientes mayores la estimulación de músculos y nervios es mucho más fuerte y 
existen contracciones involuntarias de estos El umbral mínimo de movimientos voluntarios 
es de 6 mA. 
• Parálisis respiratoria, dolor y fatiga: Corrientes más altas que el umbral de los 
movimientos voluntarios pueden causar contraccione~s involuntarias de los músculos 
respiratorios, lo suficientemente severos para causar asfixia si la corriente no es 
interrumpida. Esto se logra con 18 o 22 mA. Adem;3s, las contracciones involuntarias 
pueden causar dolor o fatiga en periodos muy largos. 
• Fibrilación ventricular: El corazón es muy susceptible a la corrienteeléctrica lo que hace 
que algunas corrientes sean muy peligrosas. Si se aplicara una corriente en el pecho, parte 
de la corriente eléctrica se iría por el corazón y si ésta es demasiado grande para excitar 
una parte del músculo del corazón, la propagación normal en este sería interrumpida; si la 
interrupción es muy grande, el corazón puede latir unas trescientas veces por minuto con 
Bioimpedanciómetro 13 
Marco teórico 
arritmia severa. En estos casos, si no se desfibrila con otro shock, la muerte puede ser muy 
rápida. Además, en el caso de la fibrilación ventricular, no importa si la corriente que se 
mete al cuerpo se detiene, pues una vez que la corriente se introdujo, de haberse afectado 
al corazón, el daño es irreparable. 
• Contracción sostenida al miocardio: Cuando la corriente está entre 1 y 6 A, todo el 
corazón se contrae y aunque deja de latir cuando la corri1ente es aplicada, los experimentos 
que han sido realizados muestran que, si la corriente es rápidamente detenida, no hay 
daños irreversibles y generalmente el corazón vuelve a tener un ritmo normal al cese de 
corriente. 
• Quemaduras y danos físicos: Al parecer, se sabe muy poco de las consecuencias que se 
tienen en corrientes mayores a los 1 O A La resistencia natural de la piel, ante corrientes 
muy grandes, produce calentamientos altos que provocan quemaduras muy profundas; 
recordando que la piel es la parte del cuerpo que más opone resistencia, es lógico que 
tenga un calentamiento muy grande por lo que disipa. 
Evidentemente se deben tener en cuenta, las variaciones que pueden ocurrir entre pacientes, pues 
los ejemplos mostrados estaban diseccionados a un caso específico. Aún así, existen, en la 
distinta documentación, gráficas donde se muestran distribuciones gaussianas tanto para hombres 
como para mujeres. [webs] 
60Hz .......... .. 
1-3 :,. ~ mbral de movimiento voluntario 
~ mbral de percepción 
1 1 1111 1 1 l 1 1 lf t 
1 mA IOmA 
Corriente rms, 60Hz 
'"'"' lOOmA 1 111111 ' 11 "" IA IOA 
Figura 9: Ejemplificación gráfica de corrientes. [Webs] 
B ioimpedanciómetro 
1 1 t 1111 
IOOA 
14 
Marco teórico 
3.3.1 Frecuencia 
No solamente es importante ver la magnitud de las corrientes o de los voltajes que se introducen al 
cuerpo, también la frecuencia juega un papel fundamental, y tie1ne que ver mucho en la seguridad 
sistema-paciente. 
Las frecuencias menos toleradas y que tienen un umbral más bajo para los movimientos 
libres son las frecuencias utilizadas comercialmente, mientras que para muy bajas frecuencias, 
como los 1 OHz, el umbral de los movimientos libres aumenta debido a que los músculos pueden 
relajarse más tiempo durante el ciclo negativo. También cuando se habla de frecuencias de cientos 
de Hz o mayores, el umbral aumenta, pero es preciso dejar muy claro que incluso a 1 OHz el 
corazón sigue siendo muy vulnerable. [Webs] 
100.---....... -----....... -----------
@ªº 
1 
o ·e 
~ 
560 
i 
o e o ·e 
·s: 40 
o e 
o .,, 
i 
.a 
j 20 
u ,, 
s 
e o 
"E o u o 500 
Frecuencia, Hz 
Figura 10: Gráfica de las frecuencias en la corriente aplicada al cuerpo. [Webs] 
Bioimpedanciómetro 15 
Sistema propuesto 
4. Sistema propuestc> 
4.1 Etapa electrónica 
Generador - Conwrtidor i----,, Paciente ~ lmpedanclómatro multifrecuencla Voltaje-Corriente 
1 ADC 1 1 1 
l __r-i ADC 1 
DSP Computadora ,-
L_1 
' 
l ADC r--
Conwrtidor 
CA-CD 
Programa de 
AnáHsis de ~ Gráficas Plccoli 
Vectores de 
Impedancia 
Figura 11: Diagrama general del func1onam1ento del sistema. 
El sistema parte de un chip XR2206, encargado de generar la señal senoidal a las diferentes 
frecuencias requeridas; posteriormente, dicha señal llega a un convertidor voltaje-corriente que 
regula la corriente que va hacia el paciente (800µA) para, de esta manera, no dañarlo. La corriente 
se hace pasar por el paciente a través de unos electrodos, y debido a la resistencia natural del 
cuerpo se produce un voltaje que se lleva hasta la entrada de un amplificador de instrumentación, 
necesario para amplificar voltajes muy pequeños. Tras haber sido amplificado, el voltaje entra a un 
filtro de ganancia unitaria con frecuencia de corte máxima de :250 kHz, el cual, ayuda a limitar el 
ancho de banda para obtener el rango de frecuencias deseado (1 kHz-250 kHz). De la etapa de 
filtrado descrita anteriormente, se obtiene el defasamiento, haciendo la comparación de la señal 
original con la obtenida después del filtro, lo cual nos ayuda a c:aracterizar su reactancia. El voltaje 
arrojado por el filtro entra a un convertidor de precisión CA-CD, que da como resultado un valor de 
CD, el cual entra a un ADC que se encuentra en el DSP, importante para caracterizar el valor de 
resistencia correspondiente al cuerpo. 
Bioimpedanciómetro 16 
Sistema propuesto 
Las dos señales obtenidas -tanto la de salida del filtro como la del convertidor AC-CD- son 
enviadas al DSP por medio de dos convertidores analógico-digital (ADC), el cual, estará encargado 
de caracterizar la resistencia y el defasamiento. Finalmente, las señales son procesadas en el DSP 
y enviadas a una computadora, la cual, por medio de un programa de análisis vectorial nos 
ayudara a la obtención de resultadazos basados en el método de Piccoli. 
Para poder polarizar los amplificadores operacionales, todo el sistema es alimentado por 
pilas de 9 volts. Haciendo uso de reguladores (7805, 7905), e:s posible alimentar ciertos circuitos 
que no requieren más de 5 volts, como es el caso del XR2206. 
4.1.1 Generador de funciones XR2206 
El XR2206 es un generador de funciones capaz de producir modulaciones de AM/FM. La 
configuración básica, así como los componentes externos, son necesarios para un funcionamiento 
de alta calidad. El circuito mostrado en la Figura 13, está diseñado para trabajar con un valor 
máximo de (16 V, -16V), y al mismo tiempo, para generar tres tipos de señales: senoidal , 
triangular y cuadrada; y para fin del presente proyecto, serán únicamente necesarias las señales 
de tipo senoidal. Dicha señal, variará su voltaje de salida, dependiendo la resistencia interna de la 
fuente. La obtención de las diferentes frecuencias se determina a través de los capacitores que se 
encuentran conectados entre la pata 5 y 6, por medio de la siguiente ecuación: 
1 
fo= RC ec. (4) 
Para poder generar el rango de frecuencias deseado (1 kHz, 5kHz, 1 OkHz, 50kHz, 1 OOkHz ó 
225kHz), se dejó fijo un capacitor con valor de 1000pF; de esta manera, se determinaron los 
valores de resistencias correspondientes -resistencias de pre,cisión-, que posteriormente serán 
multiplexadas para poder elegir sólo una frecuencia de operación. El valor de las resistencias de 
acuerdo a la frecuencia de operación se muestra en la siguiente tabla: 
Tabla 2: Valores de resistencia acorde a la frecuencia de operación. 
Frecuencia Resistencia 
1 kHz 1 MO 
5 kHz 200 kO 
10 kHz 100 kO 
·-
50 kHz 20 kO 
100 kHz 10 kO 
225 kHz 4.4 kO 
Para seleccionar el valor de resistencia adecuado y obtener la frecuencia deseada, se 
utiliza un multiplexor analógico (CD4051 B).Este multiplexor esta conectado entre la pata 10 y la 
pata 7 del XR2206. 
Bioimpedanciómetro 17 
LOGIC 
LEVEL 
CONVERSION 
BINARY 
TO 
1 OF8 
DECODER 
WITH 
INHIBIT 
CHANNEL lflfOUT 
7 6 5 4 
Figura 12: Multiplexor analógico CD4051 B. 
Sistema propuesto 
1 O 
TG 
TG 
Para seleccionar la resistencia adecuada se utiliza un dip switch, el cual dependiendo del 
número binario que se le asigne, seleccionará la resistencia adecuada, y por lo tanto la frecuencia 
de operación. Para tener una mejor idea del funcionamiento del multiplexor, a continuación se 
muestra la tabla de verdad del (CD4051 B) 
Tabla 3: Tabla de verdad del multiplexor analógico. 
INPUT STATES 
INHIBIT e B A "ON" CHANNEL(S) 
CD4051B 
o o o o o 
o o o 1 1 
o o 1 o 2 
o o 1 1 3 
o 1 o o 4 
o 1 o 1 5 
o 1 1 o 6 
o 1 1 1 7 
1 X X X ll.lone 
Bioimpedanciómetro 18 
Sistema propuesto 
VEE 
Yr(; ~;E 
o 
') R1 R7 • U1 ,> 1K '> 311K RX l .. ) • •AM N>ur'-
Q - 1 AMINP. Va: "/ ~ 16 , SYMADJ. -
1 
Vcc C3 
11
111F 
~ 
o ... 9 R11 o 
S1 
,... 
C4 
1 1
0.1¡11' :- KEYIN 15 
2:51( 
E .. SYMMETWY =· .., C5: ;0.111.,F TC1 • R5 - F.,. l 5K .., C6 : .0.001¡11' XR-2206 .> G- 2 ,.,P - 6 SIIEOUT OUTPUT H- TC2 
::: L )SYNC OUTPUT 
=1:-
- - (11"1.F SWIMG) 
R..,. 3 MILTOIIT Rlli ' 5K fi12 - Vcc ,, 
AMA.m.JIE OI • 
SYNCOIIT 
11 ,., .. SYNCOUTPUT 
13 Re_3!KI :o CRJIJ. SWING) w,.1 
R9 l R2 100K l 
~- ... 
11, S2 R1D 1K 1M e --
VEE o--! - - -DCOFFSET GND ' L_ 1 
TRI/SINE SW 
T T 
p 
Vcc t M2 14 _N ~=E R R 
.ú:\'\v+ 
1 2 s ... 
~AED 7 *' ID C2 R14 ·-.! =: 5.1K :> • C7 10¡11'" IU "4 :::r:: 1Di,,f 
A 10V 1K ' J C 91( 6V ... ~Grc> C ,... ~111.M:K 
CI R15 
1) 
5.IK \ VEE ..! =::. '> 1D¡aF.,. 
111\f ~V-
~ 
~ IILUE 
VEE 
, ' , ' 1 ~, 
1 J K --R13 • ~1M 
SWEEP FREQUENCY 
INPUT 
Figura 13: Diagrama de funcionamiento del XR2206. 
4.1.2 Convertidor voltaje-corriente 
Un convertidor de voltaje-corriente (V-1) al que también s,3 le denomina amplificador de 
transconductancia, acepta un voltaje Vt y produce una corriente de salida de tipo io= Av1, donde A 
es la ganancia o sensibilidad del circuito en amperes por volt. La carga (cuerpo) se utiliza como el 
elemento de retroalimentación. 
En la Figura 15, el amplificador de instrumentación produce cualquier corriente io que sea 
necesaria para hacer que el voltaje inversor de entrada siga a \'1, o para hacer que R io = V1. Al 
despejar a i0 se obtiene: 
1 
1 =V-~ 
L 'R 
49 
Esta expresión se cumple sin importar el tipo de carga. 
Bioimpedanciómetro 
ec. (5) 
19 
Sistema propuesto 
0--'\/lL/\~--------4 
i R1 
Figura 14: Convertidor voltaje-corriente. [Cast]. 
Como se puede observar, la topología de un convertidor V-1 es la de un amplificador inversor, el 
cual, produce un voltaje de salida determinado por la siguiente ecuación: 
V, =(l+ RL }· o R I 
1 
ec. (6) 
Para fines de la investigación, se diseñó un convertidor que únicamente proporciona una 
corriente de 800µA sin importar la carga, aunque típicamente, la carga del cuerpo es de 500 n. 
Para determinar el valor de resistencia correspondiente y no sobrepasar la corriente se utilizó la 
siguiente ecuación: 
1 
J, =V~ ' IR 
1 
ec. (7) 
El voltaje de entrada corresponde al voltaje generado por el XR2206 (3V). De acuerdo a la 
ecuación, despejando R1 se obtiene su valor igual a 1875 n. 
Observaciones: 
1. La topología anterior, permite convertir un voltaje de entrada en k. 
2. El convertidor ofrece la ventaja de tener una alta impedancia de entrada (el voltaje V¡ se 
encuentra conectado directamente a Vp). 
3. Para el correcto funcionamiento del circuito, es necesario que exista la carga (RL), de no ser 
así, la retroalimentación negativa no se cumple y por tantci, el análisis no es válido. 
4.1.3 Amplificador de instrumentación 
Un amplificador de instrumentación (Al) es un amplificador de dife,rencias que satisface las 
siguientes especificaciones: 
• Impedancias de entrada de modo diferencial y comúnmente altas (infinitas en forma ideal). 
• Impedancia de salida muy baja (idealmente cero). 
• Ganancia exacta y estable. 
• Razón de rechazo, por lo general, extremadamente alta. 
Bioimpedanciómetro 20 
Sistema propuesto 
El Al se usa para amplificar, de manera exacta, una señal de nivel bajo en presencia de un 
componente grande de modo común, tal como una salida transc:onductora en procesos de control y 
biomedicina. Por esta razón, los Al se aplican frecuentemente! en instrumentación de pruebas y 
medición. 
C1 
~--------t 
10n 
Vee 
Vcc 
Vcc 
Vee 
Vcc 
10k R7 
o 
Figura 15: Amplificador de instrumentación. [Cast] 
El amplificador de instrumentación que mejor se adecuó a los fines del proyecto desarrollado, es el 
mostrado en la Figura 15. 
El LF411 es un amplificador operacional JFET de propósito general, con bajo voltaje de 
offset y bajas fugas. Este dispositivo es de bajo costo, de alta v13locidad y mantiene un buen nivel 
de ganancia durante un amplio ancho de banda (3MHz). 
La ganancia del amplificador de instrumentación se ajustó a G=1.9 para mantener el mayor 
ancho de banda posible y que los niveles de ruido en la señal 110 fueran excesivos. El voltaje de 
salida se determina por medio de la siguiente ecuación: 
V0 =( {~ }(1+2 ~ }(v, -V,) ec. (8) 
Como se sabe, la ganancia es el cociente entre el voltaje de salida y el de entrada 
(Vo/Vi). 
El sistema tiene la característica de tener todas las resistencias iguales (R = 1 OkO) excepto, 
RG = 22k0, lo que arroja una ecuación mucho más sencilla petra determinar el Vo y nada más 
dependerá de RG como a continuación se observa en la siguiente ecuación: 
Bioimpedanciómetro 21 
Sistema propuesto 
V, =(1+2{; }(V8 -V,) ec. (9) 
Haciendo los cálculos pertinentes, se obtiene una ganancia de 1.52 (teórico). El voltaje obtenido de 
la diferencia entre los electrodos es de 800mV (práctico), lo que da a la salida del Al, un voltaje de 
1.2 V pk-pk, correspondiente a una ganancia de 1.5. 
3.UU 1 ----------------------------------------
' 1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
2. uu ~ 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1. uu ~ 
uu -1------.-::-
1. UHz 1.UKHz 
e U(R14:1) 
1. 0MHz 1. 0GHz 
Figura 16: Función de transferencia del amplificador de instrumentación. 
Es importante garantizar la inmunidad de este amplificadc,r al ruido, por lo que se calculó su 
relación de rechazo en modo común y se obtuvo una relación de rechazo en modo común (RRMC) 
de 90dB; ello, indica que el amplificador es apto para manejar :señales bioeléctricas, y por tanto, 
que su funcionamiento es confiable. 
Observaciones: 
1. La topología anterior permite amplificar la diferencia de la~; señales de Va y Vb. 
2. Con la resistencia RG se ajusta la ganancia del amplificador. Es recomendable que RG sea 
un potenciómetro. 
3. Se emplea en el sensado de señales muy pequeñas y que no proporcionen suficiente 
corriente, como por ejemplo, señales electrocardiográficas, señales bioeléctricas, etc. Esto 
se logra gracias a que las señales entran directamonte por las terminales de alta 
impedancia de los amplificadores de instrumentación 1 y 2. 
4. En principio, un amplificador de instrumentación puede ser lento, pero su ganancia puede 
ser muy alta (1000). 
5. Para que la diferencia de las señales sea lo más precisa posible, es necesario que la 
tolerancia de las resistencias se menor o igual 1 %. 
B ioimpedanciómetro 22 
Sistema propuesto 
4.1.4 Filtrado 
El filtro R-C proporciona una respuesta pasa-bajas de primer orden. Al poner en cascada dos de 
tales etapas, se debería proporcionar una respuesta de segundo orden sin usar alguna 
inductancia. Entonces, a frecuencias bajas los capacitares actúan como circuitos abiertos, con lo 
que se permite que la señal de entrada pase a través con H -1\/N. A frecuencias elevadas, la que 
entra pasará en paralelo a tierra, primero por C1 y luego por C2, y así, brindará una atenuación de 
dos etapas; de ahí provine la designación de segundo orden. Este tipo de filtro da un factor de 
calidad Q menor a 0.5; si se desea incrementar el factor de calidad, se debe reforzar la respuesta 
de magnitud. Una forma de hacer esto, es proveer una cantidad controlada de retroalimentación 
positiva. A estos filtros, se les llama KRC o filtros Sallen-Key. 
Al obligar a que K=1, se minimiza el número de componentes y también, se maximiza el 
ancho de banda del amplificador operacional (opam). 
Debido a la naturaleza de las señales, al trabajar a fre!cuencias altas, éstas se pueden 
amplificar, lo que podría presentar un problema de ruido de alta frecuencia y por tanto, impedir un 
correcto uso de la señal original amplificada. Debido a esto, :se hace necesaria una etapa de 
filtrado en la que sólo se deje pasar la frecuencia de la señal original. 
ne Vee 
mR R Vo 
Vcc 
o 
Figura 17: Filtro pasa-bajas de segundo orden. [Cast] 
Para poder determinar los valores que satisface la frecuencia de corte del filtro, se usaron 
las siguientes fórmulas: 
1 
COo =-=--
JmnRC 
ec.(10) 
Se propone: C= 1 nF; m= 1; y, Q= O. 707. Con estos valores, se obtiene n = 4Q2. la n obtenida es 
igual a 1.99, así que se toma el valor próximo n = 2, por lo tanto nC = 2nF. Estos valores son 
sustituidos en la ecuación (1 O) para poder determinar el valor de la resistencia R. El valor obtenido 
de R= 500 O. Con estos valores de capacitares y resistencias es posible hacer que el filtro corte a 
una frecuencia de 225kHz. 
Bioimpedanciómetro 23 
Sistema propuesto 
Observaciones: 
1. Los filtros empleados en el sistema, tienen una frecuemcia de corte de 250 kHz en la 
práctica debido al uso de componentes que no son de pre,cisión. 
2. El filtro es de ganancia unitaria K=1. 
4.1.5 Convertidor de precisión CA-CD 
La aplicación más común de los circuitos de precisión de valor absoluto es la conversión de CA-
CO; esto es, la generación de un voltaje CD proporcional a la amplitud de una onda de CA dada. 
Para realizar esta tarea, primero se rectifica con onda completa la señal de CA, y después, se hace 
pasar por un filtro pasa-bajas para sintetizar un voltaje de CD. Este voltaje es el promedio de la 
onda rectificada, 
T 
vprom = 
1 f ]v(t) 1 dt 
To 
ec.(11) 
donde v(t) es la onda de CA y T es el periodo. Sustituyendo v(t) = Vmsen2eft, donde Vm es la 
amplitud del pico y f = 1/T, la frecuencia se obtiene: 
ec. (12) 
Un convertidor CA-CD se calibra para que cuando sea étlimentado con una señal de CA, 
proporcione como resultado, el valor de la raíz cuadrada media (RMS), 
V,., -( i · Í v'(t)dt r ec. (13) 
Al sustituir v(t) = Vmsen2eft e integrando, se obtiene: 
V = _l,"m_ = O 707 · V 
rms f ' m 
12 
ec. (14) 
El V,ms se obtiene al multiplicar el Vm por un factor de 1.11 creado a base de resistencias. 
La salida del convertidor CA-CD es utilizada para la caracterización de la resistencia. Como 
anteriormente se mencionó, esta señal es enviada a un ADC que se encuentra dentro del DSP, se 
digitaliza y posteriormente, se caracteriza. 
Bioimpedanciómetro 24 
Sistema propuesto 
R21 C5 
~----------------..J\11,ll.-------------' ~------
R15 
10k 
01 N4001 
Vee 02 
Vcc 
10k 3.3u 
R17 R18 R19 R20 _ __,.""'-·-----~~ 
10k 10k 1k 100 
Vee 
R16 
10k 
Figura 18: Convertidor CA-CD. [Cast] 
4.1.6 Amplificador sumador inversor 
Este circuito es empleado en el sistema para generar un offset nE!cesario para poder digitalizar los 
valores que se encuentran por debajo de cero, ya que el DSP no c:umple esta función. 
El voltaje de salida del sumador inversor se obtiene a partir de la siguiente ecuación: 
V,={ t}(va+ Vb+ ..... +Vx) ec. (15) 
Esta ecuación se cumple si el valor de las resistencias es i~~ual 
Bioimpedanciómetro 25 
Observaciones: 
Ir 
Vxo,--,1v,.,-------,I\A,~---~ 
-+Rx 
Ix : 
• 
VBo,--,·"" __ _ 
r;+ 
VAo 
----+ 
IA 
Rr 
Vcc 
Figura 19: Amplificador sumador inversor. [Cast] 
Sistema propuesto 
1. La topología anterior permite amplificar o atenuar la suma de las señales de entrada 0Ja, 
Vb .... ,Vx). 
2. La señal de salida está desfasada 180º con respecto a la suma de las señales de entrada, 
de aquí su nombre de sumador inversor. 
3. Dado que Vn = Vp = O, este circuito tiene una tierra virtual en la terminal inversora. 
4. Una tierra virtual es aquella que tiene un voltaje de cero volts, pero que no está conectado 
físicamente en la terminal de tierra. 
4.1. 7 Sistema electrónico completo 
oz 
rti,, ~. 
Ioc 
d: 
I 
Voc 
Voc 
Bioimpedanciómetro 
1111 Rl 
l 
1121 05 
,-----------w,.-.....----11----,1 
1111 :J~ 
11.15 
ac 
Figura 20: Esquema de la etapa electrónica completa. 
26 
Sistema propuesto 
4.1.8 Sistema de alimentación 
El sistema tiene que ser alimentado con diferentes voltajes para garantizar su buen 
funcionamiento. Los amplificadores operacionales, normalmente, trabajan con un voltaje mínimo de 
:t. 9 volts, los cuales, se obtiene de dos pilas que comparten la tierra y en donde cada una 
proporciona su voltaje correspondiente :t. 9 volts como se muest1·a en la Figura 21. 
- 1 LM78XX 3 ---o 
lop.,t Oulpul + 
2 
::e, :: 
O~F Co 
0.1~F 
,, 
le, Co l 
O~F O. 1~F 
2 
1 
LM79XX 
3 --0 
Oulpul-
Figura 21: Forma de alimentar el s1stoma 
Algunos dispositivos como el XR2206 tienen que ser polarizados con :t. 5 volts, por ello, es 
necesario utilizar reguladores de voltaje (7805, 7905) para podeir reducir el voltaje de 9 volts a 5 
volts, y de esta manera, garantizar el buen funcionamiento del chip y no dañarlo. 
Bioimpedanciómetro 
INFIUT 
l 
o 
~ 
~ 
o 
OUTf'UT 
INPUT 
GROI.INO 
0000734]-14 
Front View 
Order Number LM7905CT, LM7912CT or Lllll7915CT 
See NS Package Number TOJB 
Figura 22: Regulador de voltaje negativo 79xx. 
27 
Sistema propuesto 
4.2 Etapa digital 
4.2.1 Justificación de la utilización de un DSP familia C5000 (TMS320-C5416) 
Un DSP es un dispositivo capaz de procesar grandes cantidades de información, en un tiempo 
comparativamente menor respecto a otros mircroprocesadores. Éste, permite realizar operaciones 
simultáneas, pues su función principal es el procesamiento dE~ señales. Los requerimientos del 
proyecto respecto al dispositivo no son críticos. La principal limitante es la capacidad de digitalizar 
señales de frecuencias tan altas como 225KHz, lo que implic:a, que en un ciclo de máquina, 
pudiera leerse la señal. Sin embargo, aunque el proceso del proyecto es simple, se eligió el DSP 
por la capacidad de digitalizar y procesar hasta 16 señales al mismo tiempo, permitiendo así, que 
el proceso completo de medición de impedancia se realice en tiempo real. 
La comunicación con la PC es otra característica de suma importancia en la selección del 
dispositivo, pues su compatibilidad permite un fácil manejo para los usuarios del sistema; así, por 
ejemplo, los resultados pueden ser vistos con el software Quickbasic, requerimiento del personal 
del Instituto Nacional de Nutrición. Además, los niveles de voltaje que recibe y lee, están pensados 
para aplicaciones biomédicas, siendo así, un dispositivo esp1~cializado para el fin último del 
proyecto. La comunicación DSP-PC se consigue con el módulo FffDX (Real Time Data Exchange) 
del DSP. Este módulo permite transferir datos entre la tabla de desarrollo y aplicaciones del host 
(PC). 
Figura 23: Módulo DSP. 
La aplicación particular envía datos unidireccionalmente por los pipelines. La PC almacena 
esta información en un buffer o en un archivo tipo log, de forma que no interfiera con los procesos 
realizados por la aplicación con que se desea comunicar. 
Bioimpedanciómetro 28 
Sistema propuesto 
La familia es también escalable y compatible con un gran número de componentes. La gran 
capacidad de cálculo resulta importante para generar las señales de frecuencias altas. Además, el 
CODEC es capaz de convertir nuevamente a analógica la señal que se genera digitalmente. 
Finalmente, en una fase superior de desarrollo del proyecto, el dispositivo es óptimo al 
permitir la adición de memoria, así como también, displays !~ráficos que pudieran eliminar la 
necesidad de una PC para su visualización. 
4.2.2 Digitalización 
La digitalización se realiza con un ADC interno del DSP. Dicho convertidor tiene una resolución de 
12 bits y una frecuencia máxima de muestreo de 8.3 MHz. El módulo completo del ADC consiste 
de Multiplexores análogos, circuitos de SAMPLE y HOLD, así como dos secuenciadores que 
pueden controlar hasta 16 canales de entrada. 
S/W 
Analog 
MUX 
SIH-A 
SIH-8 
System 
control block 
High-speec!] 4 SYSCLKOUT 1 
presc.aler • c2sx ___ -,--__,_ ____ _ 
ADCENCLK HSPCLI< 
Result Registers 
ResullReg O 70A8h 
ResullReg 1 
Resull Reg 7 70AFh 12-Bit 
ADC 
module 
i--------, 
Resull Reg 8 70B0h 
Result Reg 1 !! 70B7h 
ADC Control Reg,sters 
t---,---------,------·----r---t"1t--SIVI/ 
EVA SOC Sequencer 1 Sequen::er 2 SOC EVB 
~ ----------------------
SPRU060 Anslog-to-Digfts,' Converler (ADC) 1-3 
Figura 24: Sistema del ADC. 
El ADC lee por la entrada analógica y compara un voltaje de referi:mcia; dichovalor es escalado y 
registrado en un búfer de entrada (Result Registers (O ... 15)). Los SE!cuenciadores controlan el canal 
que se digitaliza y se almacena en dicho búfer. Estos dos secue·nciadores pueden funcionar de 
forma independiente o en secuencia, según el caso de interés ADCCTRL 1.4. 
Existen diversos modos de operación, todos controlables mediante la manipulación de los 
registros de control del ADC (Spru 60). Entre sus características más importantes, se encuentra el 
modo de operación continua, en la que el ADC inicia su operación al activarse el bit SEQSOC en 
Bioimpedanciómetro 29 
Sistema propuesto 
la dirección ADCTRL2.13 y ADCTRL2.14. Así, la digitalización puede iniciarse y detenerse vía 
software. 
ADC lnDUt Channel SeJeet seauenclna control Reaisters (Cf1SELSEQ1, 
(Address Offset 03h) 
15 14 13 12 1 11 10 9 8 1 7 6 5 4 1 3 2 . o 
COtlV03 CON'/02 1 CONVl1 1 CONVOl 1 
RIW.O RM,0 R/W,;) Rffl-0 
Nole: R • Rted IOOIH. W • Wrlle MIOHI, -C: • 'tel1,t _, '"" 
ADC Input cnannel Seleel Sequenclng control Reglsters (CHSELSEQ2) 
(Address orrset 04h) 
15 14 13 12 1 11 10 9 8 1 7 6 5 4 1 3 2 
. o 
1 CONV07 CON'/06 1 CONVJ5 1 CONV04 1 
RIW-0 RM-0 R/W-l R/W-0 
Nota: R • Aud -H. W • Wrtt. -. -C: • vali,a llftar rnat 
ADC lnDUt Channel ,Seiect Seauenclna COl7trol Reqlsters (CHSCLSEQ;J> 
(Actctress orrset 05h) 
15 14 13 12 11 10 9 9 1 7 e s 4 
1 
3 2 . o 
1 COfN11 CON'/10 1 CONVJ9 CONV09 1 
R/W-0 RM-0 R/W-) RIW-0 
Hale: R = Reaa KIDl!ss. w .. Wrlw -. -e= value alhlr 11!9et 
ADC lnout Channel $elect 5eauencina Control Realsters (CHS~LSEQ~J 
(Address Offset 08/1) 
1S 14 13 12 1 11 10 9 9 1 7 8 s 4 
1 
3 2 o 
1 COtlV1S (Ubicación: C: \MSlm 8\BlnDL I CONV13 CONV1Z 1 
R/W-0 RM-0 RfW,;) RIW-0 
Nota: R .. Reed •-H. W • Writa -. -C • valua aftat-rw-.t 
Each of the 4-bit fields, CONVnn, seleds ooe of the 16 muxed analog input 
AOC channals far an autouquenced corivarsion. 
. . .. 
Figura 25: Selección del canal a digitahzar. La selección del canal a digitahzar se reahza mediante los 
registros CHSELSEQ1 a CHSELSEQ4. En dichos registros se ordena a los secuenciadores qué canales y 
cuándo deben ser leídos. Los registros CHSELSEQn se dividen en grupos de 4 bits. 
En cada uno de los grupos CONVxx se controla ,~I canal que el multiplexor debe 
seleccionar de forma secuencial. Cuando la primera conversión se realiza, el ADC mira el valor en 
CONVOO (un número del 1 a 16), y le indica qué canal debe leer, y así, sucesivamente, seguirá 
leyendo el canal a digitalizar en la siguiente corrida hasta llegar al valor en el registro MAXCONV. 
Al llegar a este punto, los secuenciadores regresarán a cero y reiniciarán la lectura de los registros 
CHSELSEQn, mientras siga habilitada la lectura. 
Los resultados se almacenan en los registros RESUL TREGO ... 16 de forma secuencial, es 
decir que, la lectura del canal indicado por CONVOO se almacenará en RESUL TREGO , el canal en 
CONV01 , en RESUL TREG1 y así, sucesivamente. De esta forma, si se utiliza el ADC en modo de 
Bioimpedanciómetro 30 
Sistema propuesto 
cascada (2 secuenciadores de 8 bits) es posible hacer hasta 16 conversiones simultáneas de 
cualquiera de los 16 canales de entrada. 
La frecuencia de muestreo se controla mediante una secuencia que lea el canal de interés. 
La máxima frecuencia de muestreo es 8.3 MHz. Si cada uno de los registros CHSESELn nos 
remitiera al mismo canal, entonces, dicho canal tendría una frecuencia de muestreo efectiva igual a 
este máximo; pero, si alternamos dos canales, entonces ambos serán muestreados al mismo 
tiempo, pero con una frecuencia de muestreo de 8.3MHz/2. Para descender dicha frecuencia de 
muestreo, deben asignarse lecturas controladas, es decir, aunque los 16 registros de resultados se 
almacenen, la información redundante puede eliminarse mediante una secuencia que sólo lea el 
canal de entrada una vez cada 16 períodos de muestreo. 
• Caracterización de la resistencia 
La caracterización de la resistencia es la etapa más simple, pues, el circuito del 
bioimpedanciómetro genera una señal de voltaje en CD que eis proporcional a la carga resistiva 
censada. Dicho nivel de CD es muestreado y registrado para que después, la señal de CD sea 
digitalizada a lo largo del tiempo (1000 muestras aproximadamente). Finalmente, es utilizado un 
promedio del muestreo para eliminar picos en la lectura. 
La primera etapa de caracterización consiste en la captura de diferentes valores resistivos, 
dentro del rango de valores característicos del cuerpo humano. Dichos valores, son tabulados 
para encontrar una regresión lineal que relaciona dos variablE~s: resistencia vs valor de CD. La 
regresión lineal es sumamente precisa, ya que se obtiene un coeficiente R 2 =1. Es decir, la forma 
de la ecuación lineal se ajusta exactamente con la de los valores medidos, lo que genera una 
medición sumamente confiable. 
11111 
t3G 
1G14 -531, 
• 
--
l 
14:ill 
1161 
J 
51'5-
58'1-
292-
. 
.. 
Figura 26: Señal d191tahzada. La operación lineal se implementa Em el DSP que regresa un valor de 
resistencia en ohms. 
• Caracterización de la reactancia y defasamiento 
Una vez terminada la caracterización de la resistencia, en la sig1uiente etapa se caracteriza la carga 
resistiva del circuito. Para obtener este valor, se busca el defasamiento que existe entre la 
corriente que entra a la carga resistiva (convertidor voltaje-corriente), y el voltaje que sale de la 
carga. 
Para obtener la diferencia en fase, dos señales deben se,r digitalizadas. Por un canal, se lee 
la señal excitadora (entrada a la carga) y por otro, la señal de voltaje en la carga. Hasta aquí, se 
tienen dos señales de la misma frecuencia, pero con magnitud y ángulo de fase diferentes. La 
diferencia en magnitudes se explica por la parte resistiva de la carga, pero debido a que la carga 
Bioimpedanciómetro 31 
Sistema propuesto 
resistiva es caracterizada mediante el circuito, la diferencia ein magnitudes es irrelevante. La 
diferencia en fase concerniente es la que está relacionada directamente con la parte reactiva. 
La primera etapa del proceso consiste en obtener un valor promedio de las señales. Una 
vez logrado, para homologar las señales y obtener una medición más precisa, se implementa un 
comparador digital, en donde las señales son comparadas en cada punto contra el valor medio; 
así, en esta segunda etapa, se obtienen, a la salida del comparc1dor, señales cuadradas que tienen 
la misma magnitud y la misma frecuencia. 
Tras este proceso, se obtienen dos señales con el mismo origen de tiempo, por lo que el 
cálculo del defasamiento se realiza en muestras y para que las señales sean iguales. Así, se 
conoce el tiempo total de defasamiento (número de muestras por periodo de muestreo). 
X excitadora[k] = X salida [ k - J j= número de muestras en 
que la señal está defasada. 
ec. (16) 
El ángulo de defasamiento se obtiene por una regla de tres. Primero, debe conocerse a qué 
número de muestras equivale un ángulo de fase de 360 grados. Para esto, se sabe el período de 
muestreo y se calcula el número de muestras que toma un ciclCJ completo de la señal. Se calcula 
un número de muestras "h" tal que X[k]=X[k+h]. Entonces "h" se, asigna al valor de 360 grados y el 
número de muestras "j" tendrá una correspondencia con el ángulo de defasamiento. Finalmente, el 
ángulo de defasamiento caracteriza la carga reactiva de acuerdo a la frecuencia de trabajo, y un 
proceso de tabulación similar al punto anterior. 
·- . ..... 
1111 ,,u .. .. - -ut a 
o - - ..., __ -· ...... IJ, _..., . ..... .... .... 
-m _,. ... ,89& 
-- ... 1J1l' -13U 
,..,, -18'1G 
,1$ SDO &21 1,i) llf!¡ , .... ,.,. ~ - ffl 1'511 111'5 1111111 11:14 Figura 27: Caracterización del defasam1ento El canal de la señal excitadora sólo sirve como una referencia, 
a que el programa asigna un ángulo de fase igual a cero. 
Nota: Si se requiere conocer el código del programa del DSP consultar Anexo 1. 
Bioimpedanciómetro 32 
Método de Piccoli 
5. Método de PiccoliLa composición corporal es el eje principal sobre el que se construye la valoración del estado de 
nutrición del paciente; además, su conocimiento contribuye a diagnosticar los factores nutricionales 
para fin de diversas especialidades médicas (gastroenterología, oncología, etc.). Aunque existen 
diversos métodos para el estudio de la composición corporal como los dilusionales o los de 
medición de grasa subcutánea, los métodos basados en la conductancia eléctrica resultan 
bastante precisos. En este sentido, el análisis vectorial de la bioimpedancia es un método muy útil 
para conseguir resultados fiables y útiles tanto de la composición corporal, como del estado de 
hidratación. 
Como se ha planteado desde el inicio de la investigación, el análisis de la bioimpedancia 
eléctrica, se basa en la naturaleza de la conducción de una corriente eléctrica a través del 
organismo, en don de la aplicación de una corriente eléctrica alterna constante y de baja 
intensidad, produce una oposición o impedancia que depende de la frecuencia de de dicha 
corriente. 
El método de Piccoli fue desarrollado por el médico de origen italiano con el mismo nombre, 
quien a la fecha, trabaja en el Departamento de Ciencias Médiicas y de Cirugía de la Universidad 
de Padova en Italia. La función de este método, básicamente, es la de convertir una señal eléctrica 
aplicada directamente al cuerpo humano para poder convertirlc1 en una función clínica que sea de 
utilidad. Esto se logra basándose en un análisis vectorial de la impedancia bioeléctrica del cuerpo 
humano y, generalmente, se estudia de manera gráfica poniendo la parte resistiva en el eje X y la 
parte reactiva en el eje Y. [pie] 
B ioimpedanciómetro 33 
Método de Piccoli 
IRA 
60 
IRA 
50 
40 
E --.... 
E 
..e 
o 30 
I-.___ 
V 
>< / 20 
11/ 10 
// 
o -----,-
O 1 00 200 300 400 500 600 
R/H, Ohm/m 
Figura 28: Ejemplo de gráfico vectorial. 
Parte importante del método, es el entendimiento pleno ele los valores que el análisis arroja, 
y es que, la precisión de la medición final, depende, fundamentalmente, de la exactitud con la que 
las variables sean medidas. 
Tabla 4: Variables que incluyen las ecuaciones de predicción. 
Resistencia (.Q) 
Estatura (m) 
Peso corporal (kg) 
Edad (años) 
Sexo (F/M) 
Por otro lado, según el Método en cuestión, es trascendental tener una base de datos muy 
detallada de la población a la que se quiere estudiar para poder graficar las elipses con respecto a 
esta base de datos. De esta forma, se puede tener un panorama completo sobre el paciente pero 
también y de gran importancia, sobre las condiciones poblacionales -o de los pacientes sometidos 
a determinados tratamientos- y su estado nutricional. 
Tabla 5: Ejemplo de poblaciones normales según Piccoli. 
N R/HW/m Xc/H W/m 
Sexo Promedio R/HSD Promedio Xc/H SD Coef Cr 
354 
H* 298.6 43.2 30.8 7.3 0.47 
372 
M* 371.9 49.0 34.4 7.7 0.41 
631 H 297.8 35.3 33.8 5.2 0.61 
346 F 397.3 50.0 42.9 7.1 0.66 
A diferencia de los métodos convencionales de interprietación en donde se asume que la 
corriente a baja frecuencia sigue un recorrido extracelular y que la corriente a frecuencias más 
elevadas transita libremente por las células ignorando efectos dieléctricos de las membranas, en el 
Bioimpedanciómetro 34 
Método de Piccoli 
método vectorial de Piccoli, la resistencia medida es interpretada como la resistencia extracelular 
(Ro) en las medidas a baja frecuencia, y como resistencia total {R00 , intra y extracelular) cuando se 
inyecta corriente a alta frecuencia. El volumen eléctrico intracelular (R intracelular) se calcula por la 
diferencia del volumen eléctrico total menos el extracelular Finalmente, el resultado de la 
resistencia extracelular y de la resistencia total, son obtenidos por interpolación de un círculo de 
distintos vectores de impedancia a distintas frecuencias ( 1 kHz, 5 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz 
y 225 kHz). 
El método, está basado en un modelo gráfico de Resistencia-Reactancia (RX.c), en donde la 
Resistencia (R), es la oposición al flujo de una corriente alterna, y Reactancia (Xc), es la 
capacitancia producida por las interfaces tisulares y las membranas celulares. El arco tangente de 
Xc/R, es el ángulo de fase, y la estatura (H), es la medida de la longitud del conductor humano. 
Las dos medidas R y Xc, son obtenidas simultáneamente como miembro del vector de impedancia 
Z. Finalmente, una vez que el método está completo las gráficas presentan patrones 
característicos dependiendo del padecimiento en cuestión. Según la tolerancia, son tres elipses las 
que genera el programa (50%, 75% y 95%). 
-3 
-3 
2 3 
Z(R) 
eHJV/6 
o 
Anorexia 
Figura 29: Ejemplificación de gráficas de Pic:coli. 
Una gran ventaja de este método es que se puede diagnosticar rápidamente además, de 
brindar información que permita saber si es o no necesaria la n3alización de otros estudios o 
pruebas médicas. Para el análisis nutricional de un paciente no basta con analizar un solo aspecto 
de los parámetros bioeléctricos, sino, la trayectoria del vector de, Z y sus componentes. Para 
obtener mayores conclusiones de estados de nutrición, o de composición corporal, es necesario 
tener las elipses de tolerancia con las referencias sanas de la población en estudio, teniendo en 
cuenta, factores como raza, peso, estatura, sexo y edad. 
8 ioimpedanciómetro 35 
Método de Piccoli 
IO IO 
~ 
50 50 
40 
.. /\-- ',/ 
/1 J¡ 
/ ... _;·' 
/ \ .... __ .,..., ..... 
30 
20 
30 
20 
10 
/ ,. 
10 / 
,..,..._/_~-~-~-~-~-~~- .. ,...._/_' -~~--~-~-~-~-~-. 
- O 100 200 300 •oo 500 IDO 700 O 100 200 300 .too 500 IDO 700 
Figura 30: Ejemplo de elipses de confidencia de distintas poblaciones. 
5.1 Desarrollo y pruebas de interfaz. 
El desarrollo del programa y la interfaz para poder graficar los puntos con base en el método de 
Piccoli, se realizo con Visual Basic 6.0. Este programa nos permite primeramente seleccionar el 
género (masculino, femenino), como se muestra en la Figura 31. 
iii. Gráfica Piccoli .: .. 
¿Qué gráfica deseas manipular? 
11 .. .. .... .. ........ Mujeres ................... il Hombres _J 
___ s~ 
Figura 31: Interfaz gráfica para seleccionar geinero. 
Una vez obtenidos los valores de resistencia y reactancia del bioimpedanciometro, los 
valores son introducidos en los campos que aparecen en cada una ele las figuras (Xc = reactancia, 
R= resistencia y H = altura), y de esta manera se puede observar la representación del punto 
sobre las curvas de tolerancia. 
Bioimpedanciómetro 36 
Método de Piccoli 
Es importante mencionar que la forma de graficar las elipses de tolerancia para hombres y para 
mujeres es diferente, dependerá de variables correspondientes al genero, como se muestra en la 
Figura 32 y Figura 33, respectivamente para hombres y mujeres. 
li; Gráfica Hombres Piccoli J:.~· 
60 
50 
40 
Ohm/m 
30 
20 
10 
o 
o 100 
Bioimpedanciómetro 
Gré.fica de Hombres: 
200 
Hombres 
300 
95% 
400 
Ohm/m 
500 
Valores: 
Xc: 
R: 
H: 
Muestre. a generar: 
Genern.r Punto 
600 700 
Regresar 
Figura 32: Interfaz para graficar punto (hombres). 
Ohm 
Ohm 
m 
1 
Salir 
37 
íii . Gráfica Mujeres Piccoli ¡ ~ · 
60 
50 
40 
Ohm/m 
30 
20 
10 
o 
o 100 
Gráfica de Mujeres: 
200 
Mujeres 
300 
95% 
400 
Ohm/m 
500 600 7DIJ 
Método de Piccoli 
Valores: 
Xc: 
R: 
Ohm 
Ohm 
H: m 
Muestra a generar: 1 
Generar Punto 
Regresar Salir 
Figura 33: Interfaz para graficar punto (mujeres). 
Aparentemente las curvas de tolerancia son iguales, pero como se menciono anteriormente 
presentan cambios que son propios a las características del género, sin embargo el procedimiento 
para graficar los puntos correspondientes a una reactancia (Xc) y resistencia (R) es el mismo. 
Nota: Si se requiere conocer el código del programa que ~irafica el punto sobre las elipses, 
consultar Anexo 2. 
Bioimpedanciómetro 38 
Pruebas y resultados 
6. Pruebas y resultadlos 
Las pruebas realizadas en un inicio,fueron en el generadc,r de funciones (XR2206); dichas 
pruebas fueron únicamente para determinar si éste, generaba las frecuencias requeridas para el 
sistema (1, 5, 10, 50, 100 y 225 kHz). 
Como se puede observar de la Figura 34 a la Figura 39, el generador de funciones 
(XR2206) produce las frecuencias utilizadas por el sistema. Es importante mencionar que el 
sistema trabaja con una sola frecuencia a la vez, esto se lleva a cabo por medio de un multiplexor 
analógico de 8 canales (CD4051 BE), el cual, permite tener sólo una salida, independientemente 
del número de entradas que se tengan. 
Bioimpedanciómetro 
(Jec. 
~ 
. _]_ .. 
:¡ 
··r··· 
.¡ 
D ;par,lo6: 4,7G V 
•= 2.nv 
6: 2, 19kHz 
•: G41 Hz 
Chl fre<11e11c· 
1.09GIIHz 
1 ¡ : . __¡__* _ _¡__._ . 
pr;,o¡¡,.s: A! ch, J -120 .. ,v 
27 0<:t 2005 
~~l:l 1:i(i"ii,v rn,J, 11,~ -~ U':io:oi 
Figura 34: Generación de frecuencia a 1 kHz. 
39 
Bioimpedanciómetro 
~ 
.... 1 ... 
D n o 
A¡ Chl J -920111\1! 
6: '·ªº" •: 1,41 V 
6: 4,3tkHZ 
•: 1.30kHz 
Chl PICD-P 
'!.OolV 
270CI 20G'! 
Rell 4 s 17:20:<17 
Figura 35: Generación de frecuencia a 5kHz. 
6: 2,36V 
•: "'401nY 
6: l,77kHz 
•: 2.stkHz 
thl fl'KU911 
10.1711H:r 
Figura 36: Generación de frecuencia a 1 O kHz. 
D ~16: MOmV •: ZIOmY 
.... 6: 17,7kHz 
•: 25,tkHz 
ttll rrecu,n 
S0.3SkH:r 
Chl Pleo-P ,.osv 
Al Cht . J -tzon,v¡ 
270cl 200'! 
Rt>f3 s S 17:22:07 
Figura 37: Generación de frecuencia a 50 kHz. 
Pruebas y resultados 
40 
DI m o 
6: 2.41V 
•: 3G01nv 
6: 17.7kHZ 
· •: 25,PkHz 
Cll1 fl'ICY911 
IOl.OkHl 
27'0CI 200! 
~elJ s t U'::12:4<1 
Figura 38: Generación de frecuencia a 1 OOkHz . 
. . .. : .... t·· 
P 1 . ~~ Al Ch I f -1:ton,v; 
270CI 200! 
R~l:l VO<rt [i .w • ~ lf:U::M 
Figura 39: Generación de frecuencia a 225kHz. 
Pruebas y resultados 
El convertidor voltaje-corriente es un circuito fundamental para la construcción del 
bioimpedanciometro; de él, depende que la corriente de entrada al cuerpo no sobrepase los 800uA, 
de ser así, el paciente puede llegar a sufrir daños. El circuito fue simulado en P-Spice, dando 
como resultado la siguiente gráfica, en donde podemos observa1r en el eje de las X el tiempo (us) y 
en el eje de las Y la corriente, siendo ésta, la necesaria para nuE!stros fines. 
Bioimpedanciómetro 41 
800uA ...---- ----- ------------------, 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
-800uA + ----- ------,--------------
1 
1 
1 
1 
1 
1 
Ous 5 Ous 1 OOus 
e -1 (RL) 
Ti111e 
Figura 40: Simulación P-Spice convertidor voltaje corriente. 
Pruebas y resultados 
La Figura 40, muestra el buen funcionamiento del convertidor voltaje-corriente, ya que la 
corriente no supera los 800uA, lo cual es positivo, ya que de esta manera, no se daña al paciente, 
además de ser la adecuada para obtener los diferentes parámetros de acuerdo a la frecuencia de 
operación. 
El amplificador de instrumentación fue sometido a divers.as pruebas, la primera de ellas fue 
en P-Spice, de donde se pudo obtener la siguiente gráfica, que muestra que el voltaje de salida de 
acuerdo a la ganancia propuesta (2 volts), siendo el de entrada ·1 volt. 
2. uu "T" - - - - - -- - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - - - , 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
uu I 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 1 
-2. UU +----- ---- -- -- -r-- --- - - -- -----i 
Os 50us 10Uus 
e U(C1 :1) o U(R14:1) 
Ti111e 
Figura 41: Simulación en P-Spice amplificador do instrumentación. 
Bioimpedanciómetro 42 
k Ejec. ' 
u 
D1sp1m1do 
: Ch I Pico-P" 
L05V 
Ch I Pro1nedlo 
-1,o,1nv 
cn:i ?W::o-Vieo 
¡_g7 V 
Pruebas y resultados 
Figura 42: Respuesta del amplificador de instrumentc1ción en osciloscopio. 
Como podemos observar, en los resultados obtenidos en la Figura 42, el Al se comporta de la 
misma manera teóricamente que en la práctica, ya que nos arroja un voltaje de salida 
aproximadamente igual a 2 volts, que es la ganancia esperada por nuestro sistema. 
Las pruebas realizadas en la etapa de filtrado, únicamente, se hicieron con el circuito 
electrónico, ya que los filtros, a pesar de ser circuitos muy sencillos, suelen ser delicados para dar 
resultados adecuados; es decir, las frecuencias de corte deseadas pueden variar de acuerdo a los 
componentes pasivos. Sin embargo, en las figuras siguientes podremos observar que el 
comportamiento del filtro KRC a diversas frecuencias, es nece:sario para no sobrepasar el ancho 
de banda deseado, podremos observar también, que la ganancia es unitaria y la amplitud varía 
muy poco con respecto a la frecuencia de operación. 
Creemos relevante mostrar solamente, las gráficas que corresponden a frecuencias 
representativas como lo son SOkHz y 225 kHz. 
B ioimpedanciómetro 
Al Chl J 0.00 ~ 
Ch2 Pico-Ple 
7.90 V 
14 Nov 2005 
u~· 0.00000 s 14:21:19 
Figura 43: Filtro pasabajas a 50 kHz. 
43 
o. 00 \lj 
226.9kHz 
Ch 1 Pico-Ple 
8.60 V 
Ch2 Pico-Pico 
6.40 V 
14 Nov 2005 
ü•• 0.00000 s 14:25:41 
Figura 44: Filtro pasabalas a 225 kHz. 
Pruebas y resultados 
En las dos figuras anteriores podemos observar qu«:! el comportamiento del filtro es 
adecuado, ya que el voltaje de salida prácticamente no cambia con respecto al voltaje de entrada. 
Es importante mencionar que el filtro forma una parte fundamental en el 
bioimpedanciómetro, debido a que a la salida, se obtiene el defa1samiento. 
Al realizar pruebas en el convertidor CA-CD podemos observar que la respuesta es la 
esperada, ya que se obtiene un voltaje de DC correspondiente a la resistencia del cuerpo. Con 
este último circuito, se puede llevar acabo la caracterización, es decir, dependiendo de la 
resistencia que se encuentra en el convertidor voltaje-corriente E!S el voltaje DC que se obtiene. 
A continuación se presentan las dos graficas correspondientes al convertidor CA-CD. La 
primera, es una simulación en P-Spice, la cual nos indica teóricamente que los valores, tanto de 
resistencias como de capacitares, son los adecuados en el diseño. La segunda grafica muestra los 
valores de voltaje de CD correspondientes al circuito práctico. 
Bioimpedanciómetro 
1. uu "T"-----------------------------, 
1 1 
1 1 
J 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
-1. UU +-- ------ -- ----r- - - - - -- ---- -- -~ 
Us 5 Urns 1 U Urns 
e RMS(U(R59:1)) • U(U25:0UT) 
Tirne 
Figura 45: Convertidor CA-CD simulado P-Spice. 
44 
t . . ..................... ·.-¡:·.··:: : .·.-
+ 
' ~1.1.: 1.21V : !11: 1.11 V 
. . . .. ¡ 
· Chl rttcuen 
5t.HkMl 
Chl Plco-P 
}.tlV 
Ch2 l'roni.oolo 
1.NV 
Ch1 1,HY P U>.0)11: ,t,¡ Chl ./' 40.0ITl\.'1 
noe1 zoH 
f:4!13 fco,mv--,¡w¡¡s1u , •• íb-a-a--¡-- 12:21::H 
Figura 46: Convertidor CA-CD osciloscopio. 
Pruebas y resultados 
Los resultados obtenidos tanto del la etapa de filtrado CC)mo del convertidor CA-CD, son de 
suma importancia para este proyecto, ya que de ellos, dependerá la reactancia y la resistencia 
respectivamente. 
En la Tabla 6 se muestran algunos resultados de voltc1jes CD obtenidos de acuerdo a al 
resistencia del cuerpo. La frecuencia de operación es de 50 kHz ya que es la frecuencia más 
representativa de nuestro sistema. 
Tabla 6: Caracterización de la resistoncia. 
Resistencia !l Voltaje 
100 117mV 
132.5 160mV 
159.5 195mV 
200.7 247mV 
326 407mV 
389.1 486mV 
469 591mV 
551 694mV 
680 857mV 
822 1.04V 
902 1.14V 
990 1.25V 
Bioimpedanciómetro 45 
Pruebas y resultados 
Caracterizacion de la resistencia 
1.4 
1.2 
1 
CD 
"¡ij' 0.8 -= 0.6 > I • Serie1 1 
0.4 
0.2 
o 
o 500 1000 1500 
Resistencia 
Figura 47: Caracterización de la resis·tencia. 
Como se puede observar en la Figura 47, el voltaj«:l dependerá de la carga que se 
encuentra en retroalimentación negativa en el convertidor ve>ltaje-corriente. Como se sabe, la 
corriente que pasa por la carga independientemente de ésta «:ls de BOOuA y aplicando la ley de 
ohm, se obtiene un voltaje diferente para cada carga lo c:ual no afecta al amplificador de 
instrumentación ya que se hace una diferencia de voltajes y eso es lo que se amplifica. 
6.1 Interpretación de resultados