Electrodos húmedos, secos, activos y pasivos. ¿Qué son, y cuál elegir?

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En algunas ocasiones, puede ser abrumadora la cantidad de decisiones a tomar cuando se inicia un nuevo experimento con electroencefalografía (EEG). Especialmente cuando debemos definir y justificar el equipo que se utilizará. Aunque se habla de las diferencias físicas entre los electrodos húmedos, en seco, activos, o pasivos; no se tiene mucha información acerca de cómo se ven afectados los datos al usar uno u otro en un experimento de investigación, las conveniencias prácticas, y otras ventajas o desventajas de usar los diferentes tipos de electrodos.

Antes que nada, vamos a definir en qué consiste cada uno de estos tipos de electrodos:

• Los electrodos húmedos, son electrodos generalmente de material plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). Utilizan un material en gel electrolítico como conductor entre la piel y el electrodo.

• Los electrodos en seco, consisten de un solo metal que funge como conductor entre la piel y el electrodo. Éste material generalmente es acero inoxidable.

• Los electrodos activos cuentan con un módulo de pre-amplificación inmediatamente después del material conductor entre la piel y el electrodo. Esto permite amplificar la señal antes de que se sumen ruidos adicionales entre el electrodo y el sistema que haría la captura, procesamiento o amplificación de la señal.

• Los electrodos pasivos NO cuentan con un módulo de pre-amplificación como es el caso de los electrodos activos. En su lugar, simplemente se extiende la conexión desde el material conductor, hasta el equipo de captura, procesamiento o amplificación de la señal.

Electrodos húmedos

De acuerdo con investigaciones realizadas [2,3,4,5,6], la impedancia presente entre el electrodo y la piel está directamente relacionado con el desempeño del electrodo. En este caso, es de gran ayuda utilizar electrodos activos, ya que estabiliza el desempeño del electrodo, restándole dependencia al gel conductor.

Investigadores del Instituto de Neurociencias y Salud Mental en Canadá [1], realizaron un estudio en el que participaron 8 personas. Se tomó la señal de EEG utilizando un V-Amp de Brain Products (para conocer más acerca del V-Amp haz click aquí) de cada uno de los participantes mientras se emitían estímulos auditivos. Esto permitió obtener los potenciales de acción relacionados a los eventos (ERPs, por sus siglas en inglés).

Como se puede ver en la siguiente imagen, los electrodos activos mostraron una respuesta más inmediata de acuerdo a los potenciales (ERPs) detectados después de haber emitido el estímulo auditivo. Y además, también mostró menor error (diferencia de voltaje) entre la señal de referencia y la medición tomada con los electrodos.

Señales obtenidas por lecturas EEG. A) Cada una de las gráficas muestra la señal de referencia y la señal medida con cada uno de los electrodos (húmedo pasivo, húmedo activo y seco pasivo, respectivamente). B) Topografía de cráneo de la diferencia de voltaje entre las señales de referencia y de los electrodos. C) Muestra gráficamente el nivel de error obtenido en cada tipo de electrodo.

Las virtudes encontradas en los electrodos húmedos tienen un costo, dependiendo de las necesidades del experimento, éste costo puede ser muy alto. Para la aplicación de electrodos en seco, es necesario realizar un paso adicional. Éste paso es la aplicación del gel para cada electrodo. En caso de que el electrodo esté en una área sensible, ésta podría no ser la mejor solución, ya que el gel puede irritar el área (Por ejemplo, si se están tomando señales cerca de los ojos). Si colocamos por ejemplo una gorra LiveCap, implicaría la aplicación de gel a 64 electrodos, una aplicación por cada canal activo en la gorra. Si se pretende usar por periodos extendidos de tiempo, también se debe considerar que el gel puede deshidratarse [6,7,8], por lo que podría ser necesaria una re-aplicación e interrumpir el monitoreo de la señal. Además, la remoción de los electrodos requiere un poco más de tiempo para la limpieza de los electrodos, así como la piel en donde se colocaron. Por último, debemos hablas de las secuelas que pueden dejar los electrodos en seco después del monitoreo. Aunque los casos son poco frecuentes, existen preocupaciones respecto a la toxicidad de los geles utilizados como conductores [9]; los casos más frecuentes son dermatitis [10, 11, 12].

Electrodos en seco

Ésta alternativa tiene ventajas y desventajas antagónicas a las que se mencionaron en los electrodos húmedos. Por ejemplo, se obtienen niveles de ruido más altos en los electrodos en seco que con los electrodos húmedos. El estudio realizado por [1] mostró una gran diferencia entre los valores medidos con éstos electrodos, y los valores de referencia. Es posible que estos niveles de error se deban a la ausencia de una capa electrolítica, es decir, el gel que se aplica entre la piel y el electrodo en los electrodos húmedos.

Pero si los electrodos están colocados adecuadamente, con un contacto firme entre la piel y el electrodo, se pueden medir niveles confiables de EEG espectral con o sin pre-amplificación. Es decir, el hecho de que sea un electrodo activo o pasivo no parece agregar ruido adicional en las mediciones de EEG. Además, con los electrodos en seco es posible llevar los experimentos que antes se llevaban a cabo dentro de un ambiente cerrado al exterior. En otras palabras, se pueden tomar mediciones de EEG en un ambiente del mundo real.

Electrodos activos vs electrodos pasivos

El tipo de información que se pretende medir puede influenciar significativamente en la decisión entre usar electrodos activos o pasivos.

Investigaciones han demostrado que la velocidad de cambios en voltaje durante la medición con electrodos pasivos puede influenciar significativamente en la cantidad de ruido introducida en la señal [13]. También se recomienda utilizar electrodos activos en caso de que el individuo en cuestión esté en movimiento, ya que los movimientos pueden generar deformaciones en la señal. Éste es el mismo caso cuando se trabaja en áreas con ruido electromagnético considerable en el ambiente, o si la distancia entre el electrodo y el sistema de captura, procesamiento o amplificación de la señal.

Por otro lado, los electrodos activos generalmente tienen un precio mayor al de los electrodos pasivos. Además, son más pesados y requieren más espacio, por lo que se tiene menor libertad de movimiento con los electrodos activos, que con los pasivos.

Conclusión

Como todo en la vida, no existe la elección perfecta de electrodos para todos los casos. En su lugar, se deben analizar detalladamente las necesidades de la investigación y experimento, para así definir cautelosamente el conjunto de electrodos que se va a utilizar.

Referencias

[1] Mathewson, K. E., Harrison, T. J. L., & Kizuk, S. A. D. (2016). High and dry? Comparing active dry EEG electrodes to active and passive wet electrodes. Psychophysiology, 54(1), 74–82.doi:10.1111/psyp.12536

[2] FernandezMand Pallas-Areny R 1996 Simple active electrode for power line interference reduction in high resolution

biopotential measurements Ann. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc.—Proc. vols 1–3, pp 97–8

[3] Taheri B A 1995 An active, microfabricated, scalp electrode array for EEG recording 8th Int. Conf. on Solid-State

Sensors and Actuators, and Eurosensors IX vol 1, pp 67–70

[4] Nishimura S, Tomita Y and Horiuchi T 1992 Clinical application of an active electrode using an operational amplifier

IEEE Trans. Biomed. Eng. 39 1096–9

[5] Ko W H and Hynecek J 1974 Dry electrodes and electrode amplifiers Biomedical Electrode Technology: Theory and

Practice ed H A Miller and D C Harrison (New York: Academic) pp 169–81

[6] Padmadinata F Z, Veerhoek J J, Van Dijk G J A and Huijsing J H 1990 Microelectronic skin electrode Sensors

Actuators B 1 491–4

[7] Griffith M E, Portnoy W M, Stotts L J and Day J L 1979 Improved capacitive electrocardiogram electrodes for burn

applications Med. Biol. Eng. Comput. 17 641–6

[8] Lagow C H, Sladek K J and Richardson P C 1971 Anodic insulated tantalum oxide electrocardiograph electrodes

IEEE Trans. Biomed. Eng. 18 162–4

[9] Cochran R J and Rosen T 1980 Contact dermatitis caused by ECG electrode paste Southern Med. J. 73 1667–8

[10] Uter W and Schwanitz H J 1996 Contact dermatitis from propylene glycol in ECG electrode gel Contact Dermatitis

34 230–1

[11] Dwyer CM, Chapman R S and Forsyth A 1994 Allergic contact dermatitis from TENS gel Contact Dermatitis 30 305

Elliott W R and Gianetti G 1995 Electrostatic discharge interference in the clinical environment Biomed. Instrum.

Technol. 29 495–9

[12] Coskey R J 1977 Contact dermatitis caused by ECG electrode jelly Arch. Dermatol. 113 839–40

[13] Laszlo, S., Ruiz-Blondet, M., Khalifian, N., Chu, F., & Jin, Z. (2014). A direct comparison of active and passive amplification electrodes in the

same amplifier system. Journal of Neuroscience Methods, 235, 298–307. doi: 10.1016/j.jneumeth.2014.05.012