Tema1 - Departamento de Electrónica y Automática

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.
•
Ing. Enrique Mario Avila Perona
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.
•
Ing. Enrique Mario Avila Perona
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++;
Ing. Enrique Mario Avila Perona
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).
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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
Ing. Enrique Mario Avila Perona
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.
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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.
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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.
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Principios
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 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
CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS
Aplicación
Característica de la señal
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:
Electrodos de superficie o aguja
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)
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CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS
Aplicación
Temperatura
Característica de la señal
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
Electrodos de superficie o aguja
tejidos)
Ing. Enrique Mario Avila Perona
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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.
Ing. Enrique Mario Avila Perona
Electrocardiograma
• Registro ecg
• Trazado en el tiempo
• Trazado en frecuencia
Ing. Enrique Mario Avila Perona
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
Ing. Enrique Mario Avila Perona
Basado en un amplificador Operacional
Ing. Enrique Mario Avila Perona
Amplificador Instrumentación
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