UNIDAD Nº 1 Tema: Fenómenos Bioeléctricos

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

Ing. Enrique Mario Avila Perona

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. •


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. •


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) Ing. Enrique Mario Avila Perona

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”. Ing. Enrique Mario Avila Perona

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


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. Ing. Enrique Mario Avila Perona

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. Ing. Enrique Mario Avila Perona

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).


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”. Ing. Enrique Mario Avila Perona

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 Ing. Enrique Mario Avila Perona

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 ( 8.000 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+ Ing. Enrique Mario Avila Perona

LA BOMBA DE NA-K


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.


FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo) Aumento de la permeabilidad hacia el K+ (20 a 40 veces) Inactivación de la Bomba Na-K, por lo cual los iones fluyen libremente según las leyes de la difusión, generando los potenciales de acción. No hay variación de la permeabilidad hacia el Cl 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.


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. Ing. Enrique Mario Avila Perona

• 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. Ing. Enrique Mario Avila Perona

Principios


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.

CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS

Aplicación

Característica de la señal

Transductor requerido

E.C.G.

Rango de frecuencia: 0,05 a Electrodos de contacto directo con gel,

Electrocardiografía

1.000 Hz (usual 0,05 a 100 Hz) pasta o crema. Los electrodos de agua

Frecuencia Cardiaca

Tensión 10 µv a 5 mv

son menos ruidosos.

Rango: 25 a 600 ppm

Obtenida del E.C.G., presión arterial o

Normal: 60 a 90 ppm

amplificadores de onda.

Ondas de Pulso Arterial o Venoso

Fuente de luz y fotocélula para dedo o 0,05 a 60 Hz

lóbulos

de

oreja.

Transductor

piezoeléctrico Flujo Sanguíneo

Rango flujo: 300 ml/seg

Electrodos

de

contacto

directo:

Arterial o Venoso

Rango frecuencia:

flujómetros impedanciométricos. Emisor-

0 a 100 Hz

receptor piezoeléctrico para flujómetros doppler. Flujómetro electromagnético.

E.E.G.

Rango frecuencia: 0,1 a

Electrodos de superficie o aguja

100 Hz RangoIng. tensión: a 400 µvPerona Enrique2Mario Avila


Aplicación


Potenciales intracerebrales

Duración de pulso:

Transductor requerido Electrodos tipo aguja de profundidad

0,6 mseg a 0,1 seg Rango tensión: 10 µv a 100 mv E.M.G.

Rango en frecuencia: 5 a

(Electromiografía)

2.000 Hz Rango tensión:


20 a 5.000 µv Espirografía

Rango en frecuencia:

Espirómetro

con

salida

0 a 50 Hz

(transductor

diferencial

electrónica

de

presión)

turbina tacométrica

Frecuencia respiratoria

Rango en frecuencia:

Salida del canal de función respiratoria.

0 a 50 ciclos/minuto (humano)



Aplicación Temperatura


Transductor requerido

Rango en frecuencia: C.C a Alambre. Diodo. Termocupla. Termistor. 1 Hz

Pletismografía

Rango en frecuencia: 0 a

(Medición de volumen de

30 Hz


tejidos)



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. Ing. Enrique Mario Avila Perona

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.


Electrocardiograma • Registro ecg

• Trazado en el tiempo

• Trazado en frecuencia Ing. Enrique Mario Avila Perona


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


Basado en un amplificador Operacional


Amplificador Instrumentación


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