6-5-2015
BIOPOTENCIALES TIC´S
Ana Laura Garza Lerma 141670 Arely Vazquez Ibarra 144775 Rubi Guzman Dionisio 145056
Introducción A lo largo de décadas pasadas se buscaba la forma de diagnosticar de una manera más eficaz diversas patologías que afectan nuestro cuerpo, sin embargo se buscaba la manera de realizar estudios en donde se pudiera observar y tener de manera física el resultado; esto se logró gracias a que se descubrieron los biopotenciales o las señales eléctricas que nuestro cuerpo emite. Los biopotenciales son señales que se generan debido a la actividad electroquímica de cierto tipo de células conocidas como células excitables; son componentes del tejido nervioso, muscular y glandular. La actividad eléctrica se hace presente por medio del intercambio de iones en la membrana celular, esto se llevan a cabo en diferentes partes de nuestro cuerpo como en el cerebro, corazón y musculo; son lugares más importantes en donde se emiten los biopotenciales, obviamente hay más lugares donde se pueden realizar estudios para medirlos, pero nos enfocaremos solo en estos tres. Ahora bien una vez identificadas las señales eléctricas ¿Cómo se miden para un diagnostico? conforme la tecnología ha ido avanzado se cuentan con diversos aparatos que realizan este trabajo, como el electrocardiograma (ECG), electroencefalograma (EEG) y la electromiografía (EMG). En conjunto con la ingeniería Biomédica y la medicina se ha podido realizar el diseño, los software y hardware etc. de dichos dispositivos que facilitan el diagnóstico para los pacientes de forma rápida y más precisa, de igual manera nos revela el desempeño de las funciones de los órganos; aquí es donde los médicos interpretan las ondas emitidas por cualquier dispositivo del que se haya realizado el estudio. En este artículo se hará énfasis en los biopotenciales desde sus antecedentes históricos, quienes empezaron a realizar experimentos relacionados; nos adentraremos a nivel celular y biológico en cómo se genera el impulso eléctrico, por ultimo describiremos y clasificaremos los distintos electrodos que se utilizan en dichos aparatos de medición de biopotenciales.
Los diversos inventos, estudios y experimentos de los biopotenciales se remonta a los siglos XVII y XVIII en donde científicos de la época comenzaron a realizarse diversas preguntas principalmente su inquietud sobre conocer más al cuerpo humano enfocándose a cosas que no podían ser percibidas por los sentidos normales. En 1773 Johan Walsh al momento de observar una anguila dedujo que existía una electricidad animal que podía generar chispas. El fisiólogo italiano Luigi Galvani en 1786 estaba experimentando con unas ranas que se encontraban disecadas junto con dos ayudantes, estaba estudiando la contracción de los músculos cuando por accidente uno de sus colaboradores tomo un bisturí que estaba conectado a una maquina eléctrica, lo introdujo en el tejido de la rana observando como una parte de los músculos se contraían de una manera rápida y extraña para ellos; posteriormente realizo una comprobación de lo que había visto, creando un pararrayos, conectando el alambre a distintos músculos de la rana; observando nuevamente la contracción muscular, concluyendo que los nervios podían ser estimulados por la electricidad, también que estos se excitaban con dos tipos de metales diferentes, el cobre y el zinc. 1792 Alessandro Volta acapara con su popularidad el invento de la pila eléctrica, también herramientas que podían ser usadas para generar electricidad y estimular los músculos. No obstante un tiempo después surgió el fisiólogo alemán Hermann von Holmholtz con su propia teoría y estudios donde el menciona que el impulso nervioso se propaga por medio de un conductor como lo hace la corriente eléctrica. Para llevar a cabo dicha comprobación realizo un experimento para ver si el impulso nervioso viajaba a la misma velocidad o se acercaba a la de la corriente eléctrica, sin embargo sus resultado revelaron que la máxima velocidad de los impulsos nerviosos es menor a la de la electricidad. De esta manera concluyo que la temperatura y ciertas reacciones químicas están relacionadas con la creación del impulso nervioso dentro de nuestro cuerpo, juntándolas crean una reacción electroquímica. Carlo Matteucci y Emil Du Bois-Reymond en el siglo XIX, fueron las primeras en registrar las señales eléctricas que producían los nervios, con el invento del galvanómetro, así mismo definieron el concepto de neurofisiología. Más tarde en 1875 Richard Caton uso el galvanómetro colocando en el cuero cabelludo de un paciente dos electrodos para medir la actividad cerebral de este, fue como surgió el electroencefalograma. 1887 el médico y fisiólogo Augustus D.Waller utilizo un instrumento llamado electrómetro capilar,
colocándolo en la superficie del pecho de un paciente, para medir la señal eléctrica del corazón; planteando el término cardiograma. Se le realizaron ciertas mejoras al galvanómetro llamándolo después galvanómetro de cuerda, pesando aproximadamente 600 libras (272 Kg aprox.) utilizado por muchos años por los científicos dándole el nombre de electrocardiógrafo. Años después disminuye el peso del aparato de 600 libras a 12 libras (5.4 Kg aprox.) El primer reporte del registro de la electroencefalografía fue en 1929 por Hans Berger. Toennies invento el primer amplificador diferencial para el registro de potenciales en el cerebro en 1930.
Una célula cuenta con una serie de componentes que le adquieren un esqueleto, energía, alimento, y la capacidad de reproducirse. Sin embargo, se determinaron funciones sumamente importantes de algunas células especializadas que nos permiten seguir viviendo. Dichas células son excitables, lo cual presentan la característica de generar potenciales bioeléctricos debido a la actividad electroquímica de sus membranas, tales como las células musculares, las células nerviosas y las células del tejido glandular. Se menciona que la célula tiene polaridad, y cuando se habla de esto, se refiere a la permeabilidad de iones que le dan a la célula una propiedad electroquímica. Además de los organelos que se encuentran en el espacio intracelular (interior de la célula), también se encuentra una gran concentración de sustancias moleculares dispersas en el citoplasma. Las más abundantes son el Sodio y el Potasio, estas moléculas le proporcionan a la célula mantener una carga negativa, sin embargo esto puede variar de acuerdo a la actividad de la célula. El sodio se mantiene a una concentración más baja dentro de la célula y el potasio se mantiene a una concentración más alta. Una vez que se toma en cuenta estos enfoques, el ser humano puede determinar en base al contenido de los medios intra y extracelular, las cargas iónicas cuya actividad nos permita comunicar en un registro y cuantificar, los estímulos a los que son sometidas. La membrana celular es aquel alrededor que recubre la superficie de la célula, lo cual le da forma y la protege de la entrada de sustancias que la célula no
requiera para su nutrición o función. Esta envoltura permite la entrada selectiva de moléculas por medio de puertas, en este caso proteínas, que se les conoce como bombas de Sodio y Potasio. Se conocen así debido a que bombean específicamente el sodio y el potasio ya sea al interior de la célula y/o viceversa. Esto con el objetivo de que el medio se encuentre electroquímicamente equilibrado. Ésta bomba, como cualquier aparato electrónico, requiere de energía generada por la célula. El ATP es aquella energía que le brinda a la proteína la capacidad de cambiar su forma para que esta le permita transportar una molécula a través de dicha proteína. Éste proceso sucede en milisegundos. Dicha velocidad no la podríamos notar aunque lo viéramos a simple vista. El proceso en el que la célula cambia su polaridad, lo cual ayuda al entendimiento en el que podemos medir los potenciales eléctricos de una célula deriva de una serie de pasos; tales como el potencial de reposo, el potencial de acción, el periodo refractario relativo, período refractario absoluto y , los cuales se explican a continuación. Primeramente, la célula contiene 3 iones de Na+ que posteriormente con la hidrólisis del ATP, la proteína utiliza un fosfato y finalmente bombeará los iones hacia el exterior de la célula. Así los iones de Na+ quedan en el exterior celular. A continuación se encuentran 2 iones de K+ en el exterior que logran acceder al interior de la célula por medio de la bomba gracias a la energía solicitada a través de la liberación de un fosfato. Como resultado, se ha obtenido en el interior de la célula 2 K+ y se han bombeado 3 Na+ hacia el exterior. Como se había mencionado anteriormente, la célula obtiene una diferencia de potencial con respecto al exterior de la célula, resultando así una carga menos positiva en su interior en contraste con el exterior, esta diferencia de potencial se cuantifica al momento de restar la cantidad de milivoltios del interior a la cantidad de milivoltios del exterior, del cual se obtienen -70mV lo que es considerado la diferencia de potencial de una célula en estado de reposo. También es conocido que la célula se encuentra “polarizada”
Potencial de acción Cuando una célula se encuentra en fase de potencial de acción, ésta sufre cambios que se dividen en tres etapas: la primera es la fase de reposo, la segunda fase de despolarización, y la tercera se denomina fase de repolarización. A continuación la siguiente tabla es una representación de lo que sucede en un potencial de acción.
El eje vertical, o mejor conocída como eje Y, lo cual representa la unidad intensidad medido en Milivoltios (diferencia de potencial); el eje horizontal (eje X) representa el tiempo medido en milisegundos. La tabla permite ilustrar el potencial de acción como un fenómeno dinámico que explica la variación del potencial de la membrana en función del tiempo. Es decir, la curva representa los altibajos que sufre la célula a lo largo del tiempo. La fase de reposo, una línea en un estado negativo constante, cuyo potencial de membrana representa un estado que antecede el comienzo del potencial de acción, dicho en otras palabras, es la fase en la cual la célula aún no ha sido estimulada. Por lo tanto, las compuertas o los canales de la membrana se encuentran cerradas evitando así el paso de Na y K. Cuando se presenta un estímulo, sea químico, mecánico o eléctrico, provoca que en canal de Na+ comienza a cambiar de manera que permita el paso de éstas al interior de la célula. Por tanto el potencial se hace positivo con respecto al exterior, esto provoca una ascendencia en el potencial de la célula. Se puede observar en el gráfico la ascendencia notable hasta llegar
a los +30mV. A esta fase se le conoce como despolarización. En la fase de repolarización, como lo dice su nombre se vuelve a polarizar la célula, en el gráfico se observa una descendencia significativa, lo cual sucede cuando la ascendencia tiene límite y tiende a dicha descendencia, la salida del Na+ seguirá entrando sin cesar, sin embargo en esta fase el poro se cierra evitando la entrada de éstas moléculas. A eso le denominamos inactivación del canal de Sodio, y el canal de Potasio abrirá el paso de K+ hacia el exterior. Por tanto la diferencia de potencial de membrana volverá a su estado original. No obstante, seguirá existiendo un desequilibrio de cargas iónicas hacia dentro y fuera de la célula por tanto, va a suceder lo siguiente que se conoce como restablecimiento de la gradiente, dicha fase sucede cuando los iones de Na+ que han accedido hacia el interior de la célula deben volver a su estado original por la bomba de Na-K. El período refractario, es aquel periodo en el cual un estímulo no va a lograr un potencial de acción. Es decir, cuando un estímulo sucede en el mismo instante que el de un potencial de acción. Por tanto, no se va a llevar a cabo otro potencial de acción. Hay dos tipos de períodos refractarios; el período refractario relativo y el período refractario absoluto. El Primero es un estímulo que sucede a lo largo del ciclo del potencial de acción en la fase de despolarización, por tanto no va a lograr un potencial de acción por lo que los canales de Na+ se encuentran trabajando para el potencial de acción que lo antecedió. El período refractario relativo, es aquel estímulo que llega en el momento en donde el ciclo está finalizando, por tanto, si se podría desencadenar otro potencial de acción. Medidas Cardiovasculares Una de las principales tipos de medidas relacionadas con la captación de biopotencial del corazón es el electrocardiograma. El corazón es el órgano que se encuentra en el tórax sobre la parte media del diafragma entre los dos pulmones, es el responsable de bombear la sangre y llevar oxígeno y nutrientes por todo el cuerpo a través de su capilares, a la vez que retira desechos dañinos para el cuerpo. Para medir el potencial de acción transmembrana de las diferentes partes del corazón concretamente con las diferentes células miocárdicas del ventrículo.
El electrocardiograma representa la propagación de la fase de la despolarización y la repolarización de las diversas cámaras contráctiles del corazón. Cabe destacar, que el ECG a diferencia del Electrograma, es la medición de la actividad del corazón con electrodos superficiales; el último es la medición interna de dicho órgano. El ECG se puede dividir en dos componentes, uno relacionado con la propagación de la excitación y la recuperación de las aurículas, y el otro con la actividad ventricular. La excitación del corazón es provocado por un estímulo por medio de células especializadas que se encuentran en el Nodo Sinoauricular. Este estímulo se propaga por medio de las aurículas hasta llegar a la interfase aurículo-ventricular, a la vez las aurículas se contraen. Esta acción logra captar el ECG y se conocen como las ondas P. La conducción aurículo-ventricular se produce a través del Nodo Auriculoventricular, dónde este obtiene un tiempo de hasta diez veces mayor que el del resto de las conducciones del corazón. Esto último provoca que haya un retardo importante para a su vez sincronizar la activación ventricular con el pase del fluido sanguíneo hacia las diversas capilares, además de proteger los ventrículos a ser sometidos a ritmos auriculares demasiado rápidos. Seguido de esto, el impulso es propagado por el haz de His y las fibras de Purkinje para que los ventrículos se contraigan y la sangre sea bombeada a sus respectivas zonas. Esta contracción ventricular se ve reflejada en el complejo QRS del ECG. Después de la contracción los ventrículos finalmente se relajan y esto se representa como onda T. Las corrientes iónicas, debidas a los potenciales de acción asociados a la actividad cardíaca, circulan por el tórax produciendo una distribución de potenciales que resulta similar a la debida a un dipolo de corriente situado en el hipotético centro eléctrico del corazón. La dirección y magnitud de dicho dipolo va cambiando a lo largo del ciclo cardíaco. Su momento dipolar constituye el denominado vector cardíaco.
Medidas Musculares y nerviosas
El músculo es aquél órgano que nos permite el movimiento mediante la contracción y relajación. Éste masa de tejido está compuesto por fibras. El movimiento muscular puede ser medido. La Electromiografía estudia la actividad eléctrica muscular. La actividad de cada fibra del músculo es provocada en respuesta a un potencial de acción transmitido a través de la fibra nerviosa motora, que inerva la fibra muscular. Para comprender esto, la unidad motora es aquella combinación de la célula nerviosa motora en la espina dorsal, su respectivo axón y las fibras musculares que inerva. Cuando el potencial de acción nervioso alcanza la unión compuesta de tejido especializado entre el nervio y el músculo, cierta cantidad de transmisor químico se produce, convirtiendo el potencial de acción nervioso en otro muscular que se propaga por la fibra muscular completa. Las células nerviosas se componen de las neuronas, morfológicamente cuentan con un axón, como si fuera un cable, este a su vez se encuentra recubierto de mielina que es un tipo aislante de la conducción eléctrica, llegando al núcleo de dicha célula, donde después la energía es canalizada a las dendritas, son las encargadas de transmitir la información a las distintas neuronas produciendo un impulso eléctrico o potencial de acción etc. Dentro de las neuronas se lleva a cabo el transporte activo, se presentan también las bombas de sodio-potasio para generar las contracciones musculares.
Electrodos para medir biopotenciales Los potenciales bioeléctricos generados en el organismo son potenciales iónicos, producidos por flujos de corrientes iónicas. La medida eficiente de esos potenciales iónicos requiere que sean convertidos en potenciales electrónicos antes de que se puedan medir con métodos convencionales. La interface de iones metálicos en disolución con sus metales asociados da lugar a un potencial eléctrico que se denomina potencial de electrodo. Este potencial es un resultado de la diferencia de los ritmos de difusión de iones hacia dentro y hacia afuera del metal. El equilibrio se alcanza con la formación de una capa de carga en la interface. Esta carga es una doble capa, siendo la capa más próxima al metal de una polaridad y la capa próxima a la disolución, de polaridad opuesta. Otra fuente de un potencial de electrodo es el intercambio de iones desigual a través de una membrana que es semipermeable a un ion determinado cuando dicha membrana separa disoluciones líquidas con distintas concentraciones de dicho ion. La ecuación que relaciona el potencial a través de la membrana y las dos concentraciones del ion se denomina Ecuación de Nernst.
Donde: R= constante de los gases (8,315 x 10^7 ergs por mol por grado kelvin). T= Temperatura absoluta en grados Kelvin. n= Valencia del ion (número de electrones añadidos o extraídos para ionizar el átomo) F= Constante de Faraday (96.500 culombios) C1, C2= Las dos combinaciones del ion
F1,f2= Los coeficientes de actividad respectivos del ion en los dos lados de la membrana Los coeficientes de actividad f1 y f2, dependen de factores como las cargas de todos los iones en la disolución y la distancia entre iones. El producto, C1f1, de una concentración y su coeficiente de actividad asociado se denomina actividad del ion responsable del potencial del electrodo. En los electrodos utilizados para medir potenciales bioeléctricos, el potencial de electrodo se produce en la interface de un metal y un electrólito, mientras que en transductores bioquímicos se utilizan tanto barreras de membrana como interfaces metalelectrólito. Para medir los bioelectricos se pueden utilizar una amplia variedad de electrodos, pero la mayoría pueden clasificarse como pertenecientes a estos 3 básicos. Microelectrodos.- Utilizados para medir potenciales bioeléctricos cerca o dentro de una célula. Electrodos superficiales.- Electrodos utilizados para medir potenciales ECG, EEG y EMG en la superficie de la piel. Electrodos de Aguja.- Electrodos utilizados para atravesar la piel para registrar potenciales EEG en una región local del cerebro o potenciales EMG en un grupo de músculos específico. Los tres tipos de electrodos para biopotenciales presentan la interface metalelectrólito. En cada caso, aparece un potencial de electrodo en la interface, proporcional al intercambio de iones entre el metal y los electrólitos del organismo. La doble capa de carga de la interface actúa como condensador. El circuito equivalente del electrodo para biopotencial en contacto con el cuerpo,
consiste en una tensión en serie con una red resistencia-condensador
MICROELECTRODOS Los microelectrodos son electrodos con puntas suficientemente pequeñas para penetrar en una célula a fin de obtener medidas de su interior. La punta debe ser suficientemente pequeña para permitir la penetración sin dañar la célula. Los microelectrodos son generalmente de 2 tipos: Metálicos.- Se forman afilando electroquímicamente hasta el tamaño deseado, la punta de un hilo de tungsteno o de acero inoxidable. Luego se recubre el hilo casi hasta la punta, con un material aislante De micropipeta.- Constituido por una micropipeta de vidrio con la punta alargada hasta el tamaño deseado (generalmente de 1 micra de diámetro). La micropipeta se llena con un electrolito compatible con los líquidos celulares.
ELECTRODOS SUPERFICIALES Los electrodos utilizados para obtener potenciales bioeléctricos en la superficie del cuerpo se encuentran en una variedad de tamaños y formas. Para medir potenciales ECG, EEG o EMG se puede utilizar cualquier tipo de electrodo superficial, los electrodos más grandes están asociados generalmente a ECG, mientras que los electrodos más pequeños se emplean en medidas EEG y EMG. El electrodo flotante es eliminar prácticamente los artefactos del movimiento evitando cualquier contacto directo del metal con la piel. El único camino conductor entre el metal y la piel es el gel o pasta electrolítica, que forma un puente de electrólito. Incluso manteniendo la superficie del electrodo en ángulo recto con la superficie de la piel, el funcionamiento no se deteriora siempre y cuando el puente de electrólito mantenga contacto a la vez con la piel y con el metal. Se sujetan a la piel mediante collares (o anillos) adhesivos por los dos lados que se adhieren tanto a la superficie plástica del electrodo como a la piel.
ELECTRODOS DE AGUJA Para reducir la impedancia de la interface y, en consecuencia, los artefactos por movimiento, algunos electroencefalogramas utilizan para las medidas EEG pequeñas agujas subdérmicas para penetrar en el cuero cabelludo. En algunas aplicaciones de investigación se requiere una medida simultánea a distintas profundidades en el cerebro a los largo de cierto eje. Con esta finalidad se han desarrollado electrodos especiales de profundidad múltiple. Este tipo de electrodo consiste por lo general en un haz de hilos finos, cada uno de los cuales termina a distinta profundidad o teniendo cada uno una superficie conductora expuesta a una profundidad específica, pero diferente. Esos hilos se llevan generalmente a un conector en la superficie del cuero cabelludo y se fijan frecuentemente al cráneo.
Conclusión El ser humano es un ente activamente electroquímico. Desde un pensamiento hasta una acción desata una serie de señales en el cuerpo en cuestión de milisegundos. Es así como podemos sentir, movilizarnos, razonar, y sobrevivir como el tener reacciones involuntarias ante alguna especie de peligro y la capacidad de respirar. El estudio de la ingeniería y la medicina han juntado sus conocimientos para reforzarlos y descubrir mejores maneras para una mayor calidad de vida del ser humano. Conocer lo que sucede en el interior de nuestro cuerpo nos ha llevado a la posibilidad de diagnosticar y prever o prevenir sucesos que puedan peligrar la vida; así como mejorar su calidad. Estos descubrimientos nos han llevado a crear grandes herramientas que han tornado la historia de la medicina. Tomando en cuenta los impulsos que nuestro cuerpo sufre constantemente, ha brindado sus respectivos beneficios en distintas partes del cuerpo, como los que ofrece el electrocardiograma, el monitoreo de impulsos eléctricos mediante los latidos del corazón nos ayuda a conocer el estado del corazón del paciente, que éste se encuentre en óptimas condiciones y en cuestión de alguna anomalía, que sea posible ser detectada a tiempo. Enfermedades como tener un ritmo irregular (arritmia); poder detectar problemas de la velocidad de transporte de sangre y oxígeno al corazón nos pudiera informar de alguna especie de infarto o isquemia, además de que ha sido diagnosticado mediante un método sencillo y no es invasivo. Otra herramienta sencilla que se ha dado a conocer mediante el impulso eléctrico del músculo es el electromiograma, ha permitido confirmar la existencia de algún traumatismo o afectación al músculo, su precisa ubicación y la respectiva determinación del grado de afectación. Del mismo modo, en base a lo antes mencionado se han obtenido una alta gama de beneficios que han posibilitado que el médico o especialista determine el estado del individuo o bien, que se adelante a los hechos cardiacos, nerviosos y musculares.
Referencias
Juan, M. (2013). Sistema de adquisicion de biopotenciales para entornos academicos. Retrieved from Universidad CES: Recabado el 17 de Abril 2015 http://repository.eia.edu.co/bitstream/11190/304/1/BIOM0220.pdf
Enrique, S. (n.d.). Amplificadores de Instrumentación en. Retrieved from Universidad Nacional de la Plata: Recabado el 17 de Abril 2015 http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/1362/Documento_completo__.pdf?sequen ce=49
VIDEOS DE PRESENTACION https://www.youtube.com/watch?v=9VIOafkcMsQ ¿ Cómo funciona la electroestimulación ? Electroestimuladores Compex en Argysan www.youtube.com
https://www.youtube.com/watch?v=aAbXAwuRSXA Rutina de ejercicios con electro-estimulación muscular - Ritmo Deportivo www.youtube.com
