Biopotenciales y sus aplicaciones medicas Tecnología de la información Profesor Andrés Olivas UACJ Programa Médico Cirujano Javier Arturo Rubio Sotolujan 144266 Rosio Gómez Lockhart 144130 6 de Mayo, 2015
El impulso nervioso fue descubierto, por error, en 1786 por el fisiólogo italiano Luigi Galvani, en un experimento con ranas cuando observó que los músculos de la rana sufrían espasmos debido a que una máquina que se encontraba cerca de la mesa de disección generaba pequeñas chispas que caían sobre el bisturí produciendo estos espasmos. Ahora se puede medir directamente el voltaje o diferencia de potencial que ocurre en una célula (biopotencial). El biopotencial es producido por el flujo de corriente iónica que produce reacciones químicas y transporte de materia como se presencia en una bomba de sodio y potasio al recibir un estímulo causando la polaridad membrana inversa. La diferencia de potencial se observa entre dos puntos con ayuda de un minivoltímetro. Se observa que el voltaje en el interior de la célula es de aproximadamente entre -60mV y -90mV con respecto al líquido que lo rodea. El estudio de los biopotenciales es esencial para entender el principio de funcionamiento de muchos instrumentos médicos que basan sus circuitos en la detección de estas señales eléctricas, como el electromiograma, electroencefalograma, y el electrocardiograma. El músculo se encuentra dividido en unidad motora y anatómica, ésta última está conformada por fibras musculares, que son activadas por la unidad motora comprendida por una motoneurona, axones y ramificaciones de las mismas. Los potenciales de fibrilación oscilan entre 30 a 50 pv con un registro de 0.5 a 2 ms con una frecuencia de repetición entre 2 y 10 por segundo. Un estímulo voluntario puede tener una amplitud de entre 100 pv y 2 mv, con duración de entre 2 y 15 ms. Además en estos tejidos se encuentran las interacciones químicas entre Na+, K+, Ca+, y Cl-. Para el estudio de la actividad electrónica de los músculos se lleva a cabo el uso del electromiograma (EMG) que registra este comportamiento y que permite obtener información acerca de cómo trabajan los tejidos y los nervios que los estimulan. Estos aparatos son de gran ayuda para la detección patologías por las irregularidades en fibras musculares. El electromiograma (EMG) registra la actividad de unidades motoras, variaciones y sus características. Los ECG son capaces de reconocer señales de entre los 40 hasta los 10 KHz. Este instrumento consiste en el uso de electrodos para recoger la actividad eléctrica tomada sobre la piel o en la profundidad de la misma; amplificadores que toman los resultados del electrodo y los ampliarán de forma que puedan ser visualizados en la pantalla (5 mv se graficarían con 1 cm de registro); sistemas de registro de un tubo de rayo catódico o registro permanente
que obtiene información sobre las señales captadas; altavoz útil para reproducirse en la pantalla o en una fotografía. Su aplicación clínica está enfocada en el diagnóstico de patologías como denervación, desórdenes de la neurona motriz, neuropatías periféricas, bloqueo neuromuscular y enfermedades musculares. La figura I muestra los potenciales de unidades motoras de un musculo normal bajo diferentes niveles de contracción. Mientras más altos los niveles de actividad, la unidad motora tiene una respuesta más complicada (patrón de interferencia). Figura I Potencial de unidades motoras de un musculo normal Figura II- respuesta de una persona normal (a) y una con neuropatía (b)
Cuando se estimulan las neuronas hay cambios químicos que producen ondas eléctricas, llamados impulsos nerviosos. Estas ondas eléctricas se transmiten por todo el sistema nervioso con la misma potencia. La información que transportan depende de su posición y su frecuencia. Este sistema tiene varias fases: En el potencial de reposo equivalente a -70Mv, la membrana esta polarizada con su interior negativo, y hay más sodio fuera de la ella. Durante la despolarización, se crea un potencial de acción de +30 nv en el interior de la célula, debido a que los cationes de sodio entran a la membrana neural, y esta se torna ligeramente positiva. Durante la repolarización, el potasio se va en dirección opuesta y restaura el equilibrio de cargas. Este cambio de carga eléctrica produce un estímulo en la membrana adjunto y está a la siguiente, así se desplaza a lo largo de la membrana como una onda despolarizadora y repolarizadora. (Véase Figura III) Los impulsos viajan a velocidades de entre 1 y 120 m/s según el tipo de nervio. 1. A -40 mv, los canales de Na+ se abren, y los iones de Na+ fluyen hacia adentro 2. A +50 mv, los canales de Na+ se cierran y los canales de K+ se habrán para que los iones de K+ salgan fuera de la célula 3. El voltaje disminuye a -90 mv y los canales de K+ se cierran 4. Se restora el potencial a -70 mv en la bomba Na-P en 1-2 mseg. Figura III Onda despolarizadora y repolarizadora
Un electroencefalograma (EEG) detecta la actividad eléctrica del cerebro y anomalías como muerte cerebral, tumores, epilepsia, esclerosis múltiple o trastornos del sueño. El procedimiento consiste en colocar pequeños discos metálicos, electrodos con cables delgados sobre la cabeza. Los electrodos detectan las pequeñas cargas eléctricas, estas se amplifican y aparecen en la pantalla de una computadora o como un registro impreso como se muestra en la figura IV. Figura IV - Electroencefalograma Existen cuatro formas de ondas básicas: Alfa, Beta, Zeta y Delta. Las ondas Alfa se producen a una frecuencia de 8 a 12 ciclos por segundo, y aparecen cuando
una persona esta despierta con los ojos cerrados y desaparecen cuando los abre o comienza a concretarse. Las ondas Beta de una frecuencia de 13 a 30 ciclos por segundo, aparecen con la ansiedad, depresión o uso de calmantes. Las ondas zeta aparecen con una frecuencia de 4 a 7 ciclos por segundo y son las más comunes en niños y adultos jóvenes. Las ondas Delta con un frecuencia de 0.5 a 3.5 ciclos por segundo aparecen en niños pequeños cuando duermen. (Véase figura V) Figura V Ondas cerebrales El biopotencial del corazón es el cambio de potencial de voltaje de la membrana producido por el intercambio de iones. Existen 5 fases: La fase 0 es la fase de despolarización rápida, cuando los canales de sodio se abren y el influjo de iones de sodio positivo ayuda a despolarizar la célula; la fase 1 comienza cuando los canales de sodio comienzan a desactivarse y el flujo de sodio se desacelera mientras la célula pierde potasio; la fase 2 es la meseta del potencial de acción, los canales de calcio se abren y empieza el levantamiento del potencial de acción, revirtiendo el potencial de la membrana; la fase 3 es la repolarización rápida, los
canales de sodio se abren, y los iones de potasio fluyen desde la célula y esta se repolariza; y en la fase 4 las células vuelve al potencial de descanso. (Véase figura VI) Figura VI Biopotencial del corazón El electrocardiograma (ECG) registra la actividad eléctrica del corazón y presenta una representación gráfica de la contracción cardíaca. Esta actividad es generada por un pequeño grupo de células conocido como nodo sinusal, siendo este el principal marcapasos del corazón por su capacidad de producir un mayor número de despolarizaciones por minuto. El estímulo se propaga por todo el miocardio auricular produciendo su contracción. Posteriormente este estímulo alcanza la unión auriculoventricular, que está formada por tejido automático (nodo de Aschoff- y por tejido de conducción (haz de His). Luego surgen dos ramas, la izquierda y la derecha, por donde el estímulo eléctrico se distribuye por ambos ventrículos a través del sistema de Purkinje. La desporalización de la aurícula produce la onda P, la desporalización de los ventrículos produce el complejo QRS, la reporalización de los ventrículos produce la onda T, y la onda U se produce debido a la reporalización de la reporalización del sistema de Purkinje. (Véase figura VII)
Figura VII Actividad eléctrica del corazón Se emplean pequeños discos metálicos (electrodos) que captan, amplifican y registran sobre un papel milimetrado las señales del latido del corazón. Este examen ofrece dos tipos de información: el impulso del corazón, el tiempo de transmisión de este impulso y sus posibles irregularidades, lo que permite deducir si hay alteraciones en el músculo cardíaco y sus cavidades, como lesiones del miocardio, infarto, arritmias, e insuficiencia cardiacas. (Véase figura VIII) Figura VIII - Electrocardiograma Los biopotenciales son los cambios eléctricos y químicos que ocurren en las membranas celulares y gracias a la tecnología moderna se pueden detectar dichos
cambios. Para poder captar dichos impulsos eléctricos se usan electrodos, estas señales son luego amplificadas y graficadas en una pantalla y representan el potencial en unidades de voltios por segundo; luego se lleva a cabo un registro impreso con el cual se harán visibles anomalías que sufre el tejido a estudiar. Gracias al uso de electroencefalogramas (ECG), electromiogramas (EMG) y electrocardiogramas (ECG), se ha aportado grandes avances al estudio de la especialización de los tejidos.
Referencias Barea, R. (2012). Electromiografía. Abril 21, 2015, de Universidad de Alcalá. Recuperado de www.bioingenieria.edu. Cardiac Conducting System (2009). Clinical Anatomy. Jan 22 (1) p. 99-113. Recuperado de www.nlm.nih.gov. Espinosa, C. (2015). Qué es un electrocardiograma? Recuperado de www.enfermedadesdelcorazon.about.com. Marieb E. N y Hoehn K. (2010). Human Anatomy and Physiology. San Francisco: Pearson Benjamin Cummings. Nazeran, H. Biomedical Transducers and Instrumentation. Recuperado de www.utep.edu Tucci A. (1999). El origen de los biopotenciales. En Revista de la Facultad de Medicina (17-23). Mérida, Venezuela: Med-ULA