Introducción a la Física Biomédica

Física Biomédica
Introducción a la Física Biomédica
Magnitudes:
Escalares
Vectoriales
long, peso, t.
Fuerza, Presión
Fundamentales
Derivadas
Movimiento
Velocidad
Aceleración
long, masa, t.
Vel = espacio / tiempo
acel = V final – V inicial / t
Fuerza
1° Ley de Newton:
2° Ley de Newton:
Gravedad:
Inercia
F = m.a
Peso = m . acel de gravedad
Densidad
δ = m / vol
Peso m . g (gravedad)
Peso específico = Peso / Volumen
Trabajo
T = F x long.
1 erg = 1 dina x 1 cm
1 Joule = 107 erg
Potencia
P = Trabajo / t
Watt = Joule / s
Energía
E = m . C2
E Potencial
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1HP = 746 W
E cinética
Física Biomédica
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Calorimetría
1 caloría = elevación 1 °C a 1gr de agua
Metabolismo
Anabolismo
Catabolismo
Sólidos
Líquidos
Presión Hidrostática
Pr = Fuerza / Sup.
Principio de Pascal:
La Pr en 1 p. se transmite en todas las dir c/ = intensidad
Principio de Arquímedes:
Todo cuerpo sumerg recibe un empuje vert = al peso del líq desalojado
Principio de Bernouilli
Vel ↑ => Pr ↓
Túbo rígido
Vel ↓ => Pr ↑
Experimento de Marey
Tubo elastico
Líquido intermitente => presión no llega a 0
Viscosidad
Frotamiento interno de un líquido de una capa sobre la otra del mismo líqu
Tensión Superficial
Fuerza de cohesión molecular
Tens Sup = Peso / 2 long. = Peso / (4 π r)
Capilaridad
Fuerza de adhesión a las paredes > a la Fuerza de cohesión molecular
Meniscos cóncavos o convexos de líquidos en tubos
Ley de Jurin: el ascenso o descenso de un líquido en un capilar es:
H = (2 . TS) / (r . δ . g) = 2 tens sup / radio del tubo . dens . grav
Absorción
Fijación de líquidos o gases a superficies de cuerpos líquidos o sólidos
Cromatografía
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Gases
Intercambio de Gases en Sangre
O2:
21% 160 mmHg
CO2: 0.1% 0.4 mmHg
H2O:
14% 100 mmHg
5.6% 40 mmHg
47 mmHg
115 mmHg
28 mmHg
47 mmHg
(14 / 100) x (760 – 47) = 100 mmHg
(5.6 / 100) x (760 – 47) = 40 mmHg
Hb reducida + O2 = OxiHemoglobina
1g Fe = 22400 / 56 = 1 mol de O2 / 1 mol de Fe = 400 ml O2
1g Hb = 0.00335g de Fe => 1.34 ml O2
100 ml de sangre = 15g Hb => 1.34 x 15 = 20 ml O2
Curva de Disociación
CarboxiHemoglobina = HbCO
300x más estable que HbO2
1/20 CO2 disuelto en COOH
Enfermedad de las Alturas
Enfermedad de los Buzos
10 m = 2 atm
30 m = 4 atm
70 m = 8 atm
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3
Barreras Biológicas - Membranas
Estructuras:
Capa bilipidica con proteínas
Intrínsecas: receptores y canales iónicos
Extrínsecas: receptores
Transporte
Difusión
D ≈ (∆[] . á . per.) / (esp . √PM)
Gradiente de concentración, área, permeabilidad,
espesor, Peso molecular
Osmosis
Difusión Simple: de > [] a < []
Vit. DEKA, 300mOsm isotonico (2 Na)
Transporte Mediado por Proteínas:
Transporte Pasivo: Sin gasto de ATP
Transporte Activo: Con gasto de ATP
Transporte Primario: ATP directo
Transporte Secundario: ATP indirecto (glu x Na
en túbulos renales)
Transporte Vesicular
Endocitosis
Exocitosis
Sistema Compartimental
Distribución de Fluidos en el cuerpo humano
IC
Is
Fluido Intra-Celular
Fluido Extra-Celular
Fluido Intersticial
Fluido Vascular
IC
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V
2/3
1/3
2/3
1/3
Is
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V
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Tejidos Excitables
Equilibrio Iónico y Potencial de Membrana en Reposo
Conducción de Membrana:
Cantidad de canales que están abiertos en una membrana
Canales Sin gatillo (gate): siempre abiertos => K
Canales Con gatillo (gate) por voltaje : se abren o cierran con el cambio
de voltaje de membrana
Canales Con gatillo (gate) por Ligando: se abren o cierran con sustancias
Específicas (nunca con voltaje)
Fuerza Neta: Sumatoria de todas las fuerzas
Fuerza de Concentración: ∆[]
Fuerza Eléctrica: (mV) (-70mV) atraen iones (+), rechazan iones (-)
Ecuación de Nernst: Fuerza de concentración en mV
V1 – V2 = -60mV log [K]1 / [K]2
Potencial de Membrana en Reposo
Ion
Na+
K+
ClCa++
Intracelular (mEq/l)
10
100
5
0.001
Extracelular (mEq/l)
140
5
120
5
Permeabilidad
0.03
1
1
0.001
Ecuación de Nernst:
RT°
pk[K]i + pNa [Na]i + pCa [Ca]i + pCl [Cl]e
∆V = -------- Ln ------------------------------------------------------------F
pk[K]e + pNa [Na]e + pCa [Ca]e + pCl [Cl]i
220
∆V = - 61 mV . Ln -------- = -73 mV
14.2
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5
La Membrana y el Circuito Equivalente:
Electrodo: Conductor de segunda especie (solución electrolítica) con un conductor de primera
especie (conductor metálico)
Corriente: i=q/t ampere=coulomb/seg
Resistencia = R=∆V/I
Capacitancia = C=q/∆V = farad = coulomb/volt
Extracel
R Na
R Ca
R Cl
RK
E Na+
E Ca+
E Cl -
EK+
Cm
Intracel
Potencial de Membrana en Reposo - Modelo Celular
Cl-
Cl-
ECl- = -90mV => ∆V = 0mV
K+
K
EK+ = -105mV => ∆V = -15mV
Na+
Na+
ENa+ = +45mV => ∆V = +135mV
-90mV
Muy sensitivo a K extracelular
↑K: Despolariza
↓K: Hiperpolariza
135mV Difusión Pasiva
Na+
3Na+ Transporte Activo con Bomba de Na-K-ATPasa
2K+
K+ Difusión Pasiva
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6
Potencial de Acción Neuronal
La conducción de la señal nerviosa se realiza por una despolarización rápida de la membrana
que cambia el potencial de reposo negativo normal a un potencial positivo. Esto es seguido
por una repolarización, volviendo el potencial de membrana nuevamente negativo. Células
exitables, nervios y músculos tienen formas y tamaños de potenciales de acción diferentes.
Neurona Motora
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Músculo Esquelético
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Ventrículo cardíaco
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Electrocardiograma
Recorrido del potencial de Acción en el Corazón:
Nodo SA (SinoAuricular)  Músculo Auricular 
Nodo AV (AuriculoVentricular)  Haz de His  Ramas del Haz de His 
Sistema de Purkinje  Músculo Ventricular.
La despolarización del Nodo SA se propaga rápidamente a través de las Aurículas al Nodo
AV. La despolarización Auricular se completa en 0.1 seg.
Luego continúa la conducción AV pero mas lenta que la anterior llamada también Retardo
AV, tardando 0.1 seg. y regulado por la inervación del simpático y vago que aumenta y
disminuye la freq. Cardíaca respectivamente.
Luego continúa despolarizando los ventrículos desde la parte superior de los tabiques
interventriculares hasta la punta y volviendo al surco AV, tardando desde 0.08 a 0.1 seg.
A causa de que los líquidos corporales son buenos conductores, es posible registrar
extracelularmente los potenciales de acción de las fibras del miocardio
El registro de las fluctuaciones de estos potenciales de acción durante el ciclo cardíaco se
denomina Electrocardiograma (ECG)
El ECG puede ser registrado usando un electrodo activo y un electrodo de potencial cero
(registro unipolar) o entre dos electrodos activos (registro bipolar).En un un conductor de
volumen, la suma de los potenciales en los vértices de un triángulo equilátero con una fuente
de corriente en el centro es cero en todo tiempo. Puede construirse aproximadamente un
triángulo (triángulo de Einthoven) con el corazón en su centro colocando electrodos en
ambos brazos y en la pierna izquierda. Si estos electrodos son conectados a una Terminal
común, se obtiene un electrodo indiferente que está casi a potencial cero. La despolarización
que se desplaza hacia un electrodo activo en un conductor de volumen produce una deflexión
positiva, mientras que la despolarización que se mueve en la dirección opuesta produce una
deflexión negativa.
Por convención se inscribe una deflexión hacia arriba cuando el electrodo activo se vuelve
positivo en relación al electrodo indiferente y una deflexión hacia abajo cuando se vuelve
negativo.
Derivaciones Bipolares
Las derivaciones bipolares de los miembros (I, II, y III) son registros diferenciales de
potencial entre dos miembros.
En la Derivación I, los electrodos se conectan de manera que una desviación hacia arriba sea
inscrita cuando el brazo izquierdo se vuelva positivo con respecto al derecho (brazo izquierdo
positivo).
En la Derivación II, los electrodos están en el brazo derecho y en la pierna izquierda, siendo
la pierna positiva.
En la Derivación III, los electrodos están en el brazo izquierdo y en la pierna izquierda con
ésta positiva.
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Derivaciones Unipolares (V)
Comúnmente se utilizan 9 (nueve) derivaciones unipolares, o derivaciones que registran la
diferencia de potencial entre un electrodo activo y uno neutro.
Hay 6 (seis) derivaciones toráxicas (precordiales) designadas: V1 al V6 y
3 (tres) de extremidades: aVR (brazo Derecho), aVL (brazo Izquierdo), aVF (Pie izquierdo)
La letra “a” que antecede las derivaciones indican que son aumentadas en un 50% utilizando
los otros dos miembros como electrodos opuestos.
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Electrocardiografía
El electrocardiograma (ECG) es un registro lineal de la actividad eléctrica del corazón que se va sucediendo en el tiempo.
Por cada ciclo cardíaco se registran sucesivamente la curva de despolarización auricular (asa de P), que en la curva del ECG
se conoce como onda P, la curva de despolarización ventricular (asa de QRS), que en la curva del ECG origina el complejo
QRS, y la curva de repolarización ventricular (asa de T), que da lugar a la onda T. Según la frecuencia cardíaca, el intervalo
entre las ondas de un ciclo y otro es variable. Normalmente se registran estas diferentes ondas desde distintos puntos
(derivaciones).
Valor y limitaciones de la electrocardiografía
El ECG es fundamental para el estudio de los pacientes con arritmias cardíacas, trastornos de la conducción, syndrome de
preexcitación y pacientes con cardiopatía isquémica. En general es útil para el diagnóstico y el estudio evolutivo de la
mayoría de las cardiopatías, de otras enfermedades y situaciones diversas y en estudios epidemiológicos. A pesar de su
inestimable valor en el diagnóstico de algunas cardiopatías, la electrocardiografía puede ser un arma más peligrosa que
eficaz si nos confiamos en exceso ante un ECG aparentemente normal o valoramos en demasía un ECG patológico. Es aún
frecuente que, escudándose en el poder “mágico” del ECG, el médico que se encuentra ante un paciente que presenta crisis
de dolor precordial de origen dudoso sentencie: “Hay que practicar un ECG para salir de dudas”. Es necesario recordar que
un elevado porcentaje de pacientes afectos de cardiopatía isquémica presentan un ECG normal de reposo e incluso de
esfuerzo y, asimismo, con alguna frecuencia el ECG se normaliza después de un infarto de miocardio. Es obligado, pues,
interpretar el ECG teniendo en cuenta el contexto clínico en el que se obtiene. De lo dicho se infiere que un ECG normal no
constituye ningún “seguro de vida” y, en realidad, no excluye una muerte cardíaca por causa eléctrica (debida a fibrilación
ventricular o bradiarritmia) ni siquiera en el mismo día de haber tomado el registro normal, aunque, evidentemente, si no
existe cardiopatía clínica, las posibilidades de que esto ocurra son muy remotas.
Por otra parte, el ECG puede mostrar variantes de la normalidad en relación con el hábito constitucional, malformaciones
torácicas, raza y sexo, o presentar alteraciones fugaces debidas a múltiples causas (hiperventilación, hipotermia, ingestión de
glucosa o alcohol, alteraciones iónicas, acción de determinados fármacos, etc.).
Es necesario, pues, no perder de vista el gran valor que tiene la clínica, ya que en función de ésta se han de interpreter los
ECG.
Características del ECG normal
Ante un ECG hay que estudiar sistemáticamente diferentes parámetros, para lo cual se deben conocer los límites normales de
cada uno de ellos.
Frecuencia cardíaca. El ritmo sinusal normal en reposo oscila entre 60 y 100 lat/min. La frecuencia cardíaca en el ECG
se puede medir aproximadamente de acuerdo con el número de espacios de 0,20 seg que hay en un ciclo RR o de ciclos RR
que hay en 6 seg y multiplicarlo por 10 o también mediante una regla adecuada.
Ritmo. Puede ser sinusal o ectópico. Se considera sinusal cuando la onda P es positiva en DI, DII y aVF y negative en aVR,
y va seguida de un complejo QRS con intervalo PR, en el adulto, igual o mayor a 0,12 seg. Este intervalo PR puede ser
menor si existe un síndrome de preexcitación.
Intervalo y segmento PR Los valores normales del intervalo PR en el adulto son de 0,12-0,20 seg (hasta 0,22 seg en el
anciano). Intervalos PR mayores se ven en casos de bloqueo auriculoventricular (AV) y menores en el syndrome de
preexcitación y en distintas arritmias.
Intervalo QT Normalmente su valor no debe ser superior, en más o en menos, al 10% del valor que le corresponde según la
frecuencia cardíaca. El intervalo QT largo se puede ver en el síndrome QT largo congénito, en la insuficiencia cardíaca y
coronaria, en trastornos electrolíticos y tras la ingestión de determinados fármacos. El intervalo QT corto se observa en casos
de repolarización precoz, como efecto de la digital, entre otros.
Onda P. Normalmente su altura no debe superar los 2,5 mm y su anchura los 0,10 seg. Es redondeada. Su morfología varía
según las derivaciones
Complejo QRS. La morfología varía de acuerdo con las distintas derivaciones, como puede verse en la
Normalmente su anchura es inferior a 0,10 seg y la altura de la R no es superior a 25 mm en las derivaciones V 5 y V6, ni a 20
mm en DI ni a 15 mm en aVL. Por otra parte, la onda Q no suele superar el 25% de la R siguiente, aunque hay excepciones,
sobre todo en DIII, aVL y aVF, y debe ser estrecha (menor de 0,04 seg).
Onda T. En principio, en el adulto, la onda T es positiva en todas las derivaciones menos en aVR (por caer el asa de Ten el
hemicampo negativo de dicha derivación). A menudo es también negativa o aplanada en V 1; en DIII y aVF la onda T puede
ser aplanada o incluso negativa En el niño es normal que la onda T sea negativa en las precordiales derechas (repolarización
infantil).
Onda U. En alguna ocasión se observa, después de la onda T, una pequeña onda que normalmente tiene la misma polaridad
que la onda T
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Eje eléctrico. Valores normales.
Se denomina eje eléctrico de P, QRS y T (ÂP, ÂQRS y ÂT) al vector resultante de las fuerzas creadas durante los procesos
respectivos de despolarización auricular y despolarización y repolarización ventriculares. ÂP: en más del 90% de los casos
normales se halla entre +30° y +70°. ÂQRS: generalmente oscila entre 0° y + 90°, aunque puede situarse más a al izquierda,
en pícnicos, y más a la derecha, en asténicos. ÂT: generalmente oscila entre 0° y + 70°. Los ÂT más a la izquierda se ven
cuando el ÂQRS es también izquierdo, pudiendo en ocasiones llegar a –30°. Sin embargo, incluso con ÂQRS derechos
puede ser normal, en ocasiones, un ÂT entre 0° y –30°.
Cálculo de la frecuencia cardíaca según el intervalo RR
Número de
espacios
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Frecuencia de 0,20
seg (lat/min)
300
150
100
75
60
50
43
37
33
Curvas e intervalos del ECG.
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A. Asa de P en el espacio, su proyección sobre los planos frontal y horizontal y morfología de la onda P en las doce
derivaciones. B. Asa de QRS en el espacio, su proyección sobre los planos frontal y horizontal y morfología de la onda QRS en
las doce derivaciones. C. Asa de T en el espacio, su proyección sobre los planos frontal y horizontal y morfología de la onda T
en las doce derivaciones.
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