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 metal-

electrólito.

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 metal-

electrólito. 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