UNIDAD Nº 1 Tema: Fenómenos Bioeléctricos. Ing. Enrique Mario Avila Perona

Transcripción

1 UNIDAD Nº 1 Tema: Fenómenos Bioeléctricos

2 RANGO DE LOS FENÓMENOS BIOELÉCTRICOS El conocimiento de los rangos dinámicos de los fenómenos biológicos es una necesidad primaria tanto para el proyectista como para el reparador; Es fundamental conocer los transductores eléctricos adecuados. Respecto de las constantes de tiempo requeridas estas pueden variar entre unos 5 mseg para fenómenos rápidos, como por ejemplo potenciales nerviosos sensoriales, hasta respuestas en C.C. a 0,1 Hz para temperatura. La sensibilidad varía entre 1 µv para E.E.G. y 1mv ó hasta 1 v en el caso de utilizar transductores.

3 POTENCIALES ELECTROBIOLÓGICOS POTENCIAL DE REPOSO Toda célula viviente, animal o vegetal, produce y mantiene una diferencia de potencial entre su interior y el medio líquido que la rodea que denominaremos potencial de reposo o potencial de reposo de transmembrana: ya que es la membrana celular la que separa el medio extracelular. El rango de los potenciales de reposo que podemos encontrar en la naturaleza va de 40 a 120 mv, siendo siempre el interior celular negativo con respecto al exterior.

4 EXCITABILIDAD CELULAR Y POTENCIAL DE ACCIÓN Todas las células del organismo responden de alguna manera a cualquier estímulo, pero sean cuales fueran los efectos finales (contracción muscular, secreción de una hormona, secreción de soluciones electrolíticas tales como sudor o lágrimas, etc.) subyacente a ellos habrá siempre un intercambio iónico entre el interior celular y el exterior (líquido intersticial) que alterará el potencial de reposo de manera mas o menos ostensible según la célula de que se trate. Las células pueden clasificarse como: Las Muy Excitables son aquellas que responden produciendo un gran efecto ante estímulos apropiados únicos y leves. Ellas son las células nerviosas y musculares. Las Poco Excitables son las que para producir un efecto ostensible necesitan estímulos apropiados fuertes o bien iterativos (células glandulares o epiteliales)

5 ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La génesis de cualquier potencial biológico debe buscarse en la diferencia de concentración iónica a uno y otro lado de la membrana celular. Todos los métodos de registro de la actividad eléctrica del organismo captan las variaciones de potencial que se producen como consecuencia de los potenciales de acción de las células nerviosas y musculares agrupadas en tejidos.

6 ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La membrana celular es permeable aunque con distintos valores de conductibilidad al: K+, Na+, Cl ˉ, Mg++ Ca++;

7 ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La experimentación muestra que los únicos iones que deben tenerse en cuenta como formadores del potencial de reposo y así mismo como generadores del potencial de acción son el Clˉ, el K+ y el Na+. El Mg++ y el Ca++ influyen con su mayor o menor concentración en la permeabilidad que presenta la membrana al Na+, pero la permeabilidad de esta hacia ellos mismos es pequeña, de aquí es que no se los considera en la formación de potenciales eléctricos.

8 POTENCIALES DE EQUILIBRIO Los potenciales de equilibrio tienden a disminuir hasta desaparecer como consecuencia de la acumulación de cargas en ambas soluciones que llegan a frenar, por atracción o repulsión electrostática, la circulación electrónica.

9 POTENCIALES DE DIFUSIÓN Ahora bien tal como sucede en la realidad, la membrana celular resulta ser permeable también al ion Cl. Si la permeabilidad no es la misma para el Na+ que para el Cl se generará el siguiente fenómeno: Suponiendo que la membrana sea más permeable al Cl que al Na+, apenas formado el sistema difundirá más Cl que Na+ desde el lado más concentrado al de menos concentración. Entonces se generará en el lado de menor concentración una carga negativa que frenará algo el ingreso de más Cl por rechazo electrostático, así como forzará el ingreso de más Na+ hasta que las velocidades de traspaso de ambos iones sean constantes (velocidades de equilibrio).

10 POTENCIALES DE DIFUSIÓN Estos diferentes flujos de Na+ y Cl, en el equilibrio inducirán una diferencia de potencial que llamaremos Potencial de Difusión y que resultan ser entonces Una medida de la permeabilidad de la membrana a las movilidades de los iones en ella.

11 LA BOMBA DE NA-K Un potencial de difusión tal como pensamos que sea, un potencial biológico, tenderá a decaer rápidamente pues los iones involucrados en él tratarán de concentrarse igualmente a ambos lados de la membrana. En consecuencia para que estos potenciales no decaigan y desaparezcan, habrá que obrar sobre los sistemas para mantener constante el gradiente de concentración de los iones involucrados

12 LA BOMBA DE NA-K Este último fenómeno lo encontramos en la célula, donde existe en la membrana celular un mecanismo que funciona a expensas de la energía metabólica ( cal/mol) que proviene de la pérdida de un radical fosfato del ATP (trifosfato de adenosina), que en estado de reposo expulsa Na+ e introduce K+ en proporción: 2 K+ : 3 Na+ a 2 K+ : 5 Na+

13 LA BOMBA DE NA-K

14 LA BOMBA DE NA-K Esta Bomba de Na-K obliga al Na+ a mantenerse en una concentración 15 veces menor en el interior que en el exterior y al K+ a alcanzar una concentración 30 veces mayor dentro que fuera. Esta situación es la que origina un Potencial de difusión mantenido que será el Potencial de Reposo mencionado al comenzar en capítulo. En los ejemplos de soluciones salinas nos referimos al Na+, para el caso de los iones de K+ se produce exactamente el mismo efecto de difusión presentado para los iones de Na+. El ingreso de K+ a la célula por intermedio de la Bomba de Na-K se realiza para mantener constante la concentración de los mismos.

15 FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: 1. Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ ( veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ 2. Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo) 3. Aumento de la permeabilidad hacia el K+ (20 a 40 veces) 4. Inactivación de la Bomba Na-K, por lo cual los iones fluyen libremente según las leyes de la difusión, generando los potenciales de acción. 5. No hay variación de la permeabilidad hacia el Cl 6. Proceso de despolarización y repolarización ( 2 mseg): proceso durante el cual los cambios de permeabilidad retornan a los valores originales y en consecuencia el potencial de membrana comienza a disminuir hasta alcanzar el potencial de reposo, momento en que comienza a funcionar la Bomba de Na-K.

16 Conclusión Existen potenciales eléctricos en todas las membranas que rodean a células vivientes, y muchas de estas células tienen la capacidad de propagar un cambio en este potencial. Las células nerviosas, musculares y glandulares exhiben este tipo de fenómeno. Estas responden a un estímulo de forma tal que el potencial de membrana presenta una serie de cambios reversibles, llamado Potencial de Acción. Esta actividad eléctrica de células y tejidos constituyen un evento bioeléctricos.

17 Los potenciales bioeléctricos son potenciales iónicos producidos como resultado de la actividad electroquímica de estos tipos especiales de células. Utilizando transductores capaces de convertir los potenciales jónicos en tensiones eléctricas, se pueden medir estas señales y presentar los resultados.

18 Principios

19 RANGO DE LOS FENÓMENOS BIOELÉCTRICOS El conocimiento de los rangos dinámicos de los fenómenos biológicos es una necesidad primaria tanto para el proyectista como para el reparador; Es fundamental establecer las necesidades de: constantes de tiempo, sensibilidad y respuesta en frecuencia de los equipos para: diseñar o elegir los transductores eléctricos adecuados. Respecto de las constantes de tiempo requeridas estas pueden variar entre unos 5 mseg para fenómenos rápidos, como por ejemplo potenciales nerviosos sensoriales, hasta respuestas en C.C. a 0,1 Hz para temperatura. La sensibilidad varía entre 1 µv para E.E.G. y 1mv ó hasta 1 v en el caso de utilizar transductores.

20 CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS Aplicación Característica de la señal Transductor requerido E.C.G. Electrocardiografía Frecuencia Cardiaca Ondas de Pulso Arterial o Venoso Flujo Sanguíneo Arterial o Venoso E.E.G. Rango de frecuencia: 0,05 a Electrodos de contacto directo con gel, Hz (usual 0,05 a 100 Hz) Tensión 10 µv a 5 mv pasta o crema. Los electrodos de agua son menos ruidosos. Rango: 25 a 600 ppm Obtenida del E.C.G., presión arterial o Normal: 60 a 90 ppm amplificadores de onda. Fuente de luz y fotocélula para dedo o 0,05 a 60 Hz lóbulos de oreja. Transductor piezoeléctrico Rango flujo: 300 ml/seg Electrodos de contacto directo: Rango frecuencia: flujómetros impedanciométricos. Emisorreceptor 0 a 100 Hz piezoeléctrico para flujómetros doppler. Flujómetro electromagnético. Rango frecuencia: 0,1 a Electrodos de superficie o aguja 100 Hz Rango tensión: 2 a 400 µv

21 CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS Aplicación Característica de la señal Transductor requerido Potenciales intracerebrales E.M.G. (Electromiografía) Espirografía Frecuencia respiratoria Duración de pulso: 0,6 mseg a 0,1 seg Rango tensión: 10 µv a 100 mv Rango en frecuencia: 5 a Hz Rango tensión: 20 a µv Rango en frecuencia: 0 a 50 Hz Rango en frecuencia: 0 a 50 ciclos/minuto (humano) Electrodos tipo aguja de profundidad Electrodos de superficie o aguja Espirómetro con salida electrónica (transductor diferencial de presión) turbina tacométrica Salida del canal de función respiratoria.

22 CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS Aplicación Característica de la señal Transductor requerido Temperatura Pletismografía (Medición de volumen de tejidos) Rango en frecuencia: C.C a 1 Hz Rango en frecuencia: 0 a 30 Hz Alambre. Diodo. Termocupla. Termistor. Electrodos de superficie o aguja

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24 Electrodos Un electrodo puede ser utilizado tanto para la medición de eventos bioeléctricos como para estimular tejido excitable. En el primer caso se utilizan bajas densidades de corriente, mientras que en el segundo caso la densidad de corriente es elevada. Estos electrodos pueden ser de contacto óhmico o capacitivo. La gran mayoría de los electrodos son de contacto óhmico con el tejido por medio de un electrolito, con propiedades eléctricas difíciles de determinar con exactitud.

25 Distintos tipos Para describir los diferentes tipos de electrodos es importante conocer un modelo que caracterice al electrodo con su entorno. Interfase electrodo-electrolito y potencial de electrodo.

26 Electrocardiograma Registro ecg Trazado en el tiempo Trazado en frecuencia

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28 Requisitos Generales: Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, se necesitan amplificadores específicos llamados de instrumentación que deben cumplir: Ganancia: seleccionable, estable, lineal. Entrada diferencial: con CMRR alto. Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset Impedancia de entrada alta Impedancia de salida baja

29 Basado en un amplificador Operacional

30 Amplificador Instrumentación