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FACULTAD DE INGENIERIA
ELÉCTRICA
UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO
Nombre de la materia: BIOELECTRONICA I Clave: IA3010-T No. De horas / semana: 3 Duración semanas: 16 Total de Horas: 48 No de créditos: 6 Prerrequisitos IA3001-T (INSTRUMENTACION II)
Objetivo:
Que el alumno adquiera el conocimiento básico de los procesos biológicos que tienen
relación con la electrónica. También conocerá los elementos básicos de la
instrumentación enfocada a los seres vivos y de las normas de seguridad en dichos
sistemas.
INDICE
Capitulo 1 El Sistema Hombre-Instrumento ....................................................................................................... 3
1.0 Antecedentes. ...................................................................................................................................................... 3
1.1 Introducción al Sistema Hombre-Instrumento. .................................................................................... 4
1.2 Componentes del Sistema Hombre-Instrumento. ............................................................................... 7
1.2.1 El individuo. ................................................................................................................................................. 7
1.2.2 Estímulo. ....................................................................................................................................................... 7
1.2.3 Transductor. ................................................................................................................................................ 8
1.2.4 Equipo de acondicionamiento de señal............................................................................................ 8
1.2.5 Equipo de presentación. ......................................................................................................................... 8
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1.2.6 Equipo de registro, proceso y transmisión de datos. ................................................................. 9
1.2.7 Dispositivos de Control. .......................................................................................................................... 9
1.3 Sistemas Fisiológicos del Organismo. ....................................................................................................... 9
1.3.1 La Célula ..................................................................................................................................................... 11
1.3.2 Fluidos Corporales ................................................................................................................................. 12
1.3.3 Sistema Músculo-Esquelético ............................................................................................................ 12
1.3.4 Sistema Respiratorio............................................................................................................................. 13
1.3.5 Sistema Gastrointestinal ..................................................................................................................... 13
1.3.6 Sistema Nervioso .................................................................................................................................... 13
1.3.7 Sistema Endocrino ................................................................................................................................. 14
1.3.8 Sistema Circulatorio .............................................................................................................................. 14
1.3.9 El Cuerpo como un Sistema de Control ......................................................................................... 15
1.4 Problemas Encontrados al Medir en un Sistema VIVO ................................................................... 15
1.4.1 Inaccesibilidad de las variables a medir. ...................................................................................... 16
1.4.2 Variabilidad de los datos. .................................................................................................................... 16
1.4.3 Escasez de Conocimientos sobre las Interrelaciones. ............................................................. 16
1.4.4 Interacción entre Sistemas Fisiológicos. ...................................................................................... 17
1.4.5 Efecto del Transductor en la Medida. ............................................................................................ 17
1.4.6 Artefactos. ................................................................................................................................................. 18
1.4.7 Limitaciones de energía. ...................................................................................................................... 18
1.4.8 Consideraciones de seguridad. ......................................................................................................... 19
1.5 Conclusión ......................................................................................................................................................... 19
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CAPITULO 1 EL SISTEMA HOMBRE-INSTRUMENTO
1.0 ANTECEDENTES. Un ejercicio clásico de análisis en ingeniería incluye la medida de las salidas de un
sistema desconocido tal como quedan afectadas por distintas combinaciones de
entradas. Este sistema desconocido, referido a menudo como caja negra, puede tener
distintas configuraciones para una combinación dada de entradas y salidas. El producto
final de un ejercicio de este tipo suele ser un conjunto de ecuaciones entrada-salida que
intentan definir las funciones internas de la caja. Estas funciones pueden ser
relativamente simples o enormemente complejas.
Una de las «cajas negras» más complejas que se puede concebir es un organismo vivo,
especialmente el ser humano. Dentro de esta caja se pueden encontrar sistemas
eléctricos, mecánicos, acústicos, térmicos, químicos, ópticos, hidráulicos, neumáticos y
de muchos otros tipos, interaccionando todos unos con otros. Contiene además una
potente computadora, varios tipos de sistemas de comunicación, y una gran variedad
de sistemas de control. Para complicar más la situación, al intentar medir las entradas y
salidas, un ingeniero aprendería pronto que ninguna de las relaciones entrada-salida es
determinística. Esto es, la aplicación repetida de un conjunto de valores de entrada
dados no siempre producirá los mismos valores de salida. De hecho muchas de las
salidas parecen presentar un amplio abanico de respuestas para un conjunto de
entradas dado, dependiendo de algunas condiciones aparentemente sin importancia,
mientras que otras parecen ser completamente aleatorias y sin relación alguna con
ninguna de las entradas.
La «caja negra» viva presenta asimismo otros problemas. Muchas de las importantes
variables a medir no son fácilmente accesibles para los instrumentos de medida. El
resultado es que no se pueden determinar algunas relaciones claves o que se deben
emplear medidas sustitutivas menos precisas. Además, en esta caja hay un elevado
grado de interacción entre las variables. Así pues frecuentemente es imposible
mantener constante una variable mientras se mide la relación entre otras dos. De
hecho, algunas veces es difícil determinar cuáles son las entradas y cuáles las salidas,
porque nunca están etiquetadas e incluyen casi inevitablemente uno o más lazos de
realimentación. La situación todavía empeora debido a la aplicación del propio
instrumento de medida, que frecuentemente afecta a las medidas hasta el punto de que
no pueden representar fielmente, condiciones normales.
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A primera vista la tarea de medir y analizar las variables en una caja negra viva
probablemente sería considerada imposible por la mayoría de los ingenieros; sin
embargo, este es el problema con el que se encuentran en el campo de la medicina
quienes intentan medir y comprender las relaciones internas del cuerpo humano. La
función de la instrumentación bioelectrónica es ayudar al médico y al investigador a
idear formas de obtener medidas del ser humano vivo, confiables y significativas.
Aún se dan otros problemas asociados con tales medidas: el proceso de medida no debe
poner en peligro en modo alguno la vida de la persona en la que se realizan las
medidas, y no debería exigir que el individuo soporte un excesivo dolor o incomodidad
o cualesquiera otras condiciones indeseables. Esto significa que muchas de las técnicas
empleadas normalmente en la instrumentación para sistemas sin vida no se pueden
aplicar en la instrumentación para personas.
Algunos factores adicionales a añadir a las dificultades para obtener medidas válidas
son:
consideraciones de seguridad;
el entorno del hospital donde se realizan frecuentemente estas medidas;
el personal médico involucrado por lo general en las medidas y
ocasionalmente incluso consideraciones éticas y legales.
Dado que en la obtención de datos de los organismos vivos, especialmente de los seres
humanos, aparecen problemas especiales y debido a la gran interacción entre el
sistema de instrumentación y el individuo donde se mide, es esencial que la persona en
la que se hacen las medidas sea considerada como parte integrante del sistema de
instrumentación. En otras palabras, para que los datos obtenidos a partir de la caja
negra (en el ser humano) tengan sentido, en el diseño y aplicación de cualquier
instrumento de medida se deben considerar las características internas de la caja
negra. En consecuencia, el sistema global que incluye la persona y la instrumentación
necesaria para medir en ella, se denomina el sistema hombre-instrumento. Este capítulo
trata de las propiedades de este sistema y de los problemas de medida del ser humano.
1.1 INTRODUCCIÓN AL SISTEMA HOMBRE-INSTRUMENTO.
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Un sistema de instrumentación se define como el conjunto de instrumentos y equipo
utilizados en la medida de una o más características o fenómenos, más la presentación
de la información obtenida a partir de estas medidas de forma tal que la pueda leer e
interpretar el hombre. En algunos casos, el sistema de instrumentación incluye
componentes que dan un estimulo o excitación para una o más de las entradas del
dispositivo donde se mide También puede haber algún mecanismo para control
automático de ciertos procesos dentro del sistema o fuera de éste. Como ya se ha
indicado antes, el sistema hombre-instrumento completo debe incluir, además, al ser
humano en el que se realizan las medidas.
Los objetivos básicos de cualquier sistema de instrumentación se enmarcan, por lo
general, dentro de una de las siguientes categorías principales:
Adquisición de información. En un sistema de adquisición de información, la
instrumentación se utiliza para medir fenómenos naturales y otras variables que
ayuden al hombre en su búsqueda para conocerse a sí mismo y al universo donde vive.
En esta situación, puede que no se conozcan por adelantado las características de las
medidas.
Diagnóstico. Las medidas se realizan para ayudar a la detección y, si hay suerte, a la
corrección de algo que funcione mal en el sistema donde se mide. En algunas
aplicaciones, este tipo de instrumentación se puede clasificar como equipo de
«investigación de alteraciones».
Evaluación. Las medidas se emplean para determinar la capacidad de un sistema de
satisfacer las exigencias de funcionamiento impuestas. Estas pruebas se podrían
clasificar como «pruebas funcionales» o «control de calidad».
Monitorización. La instrumentación se utiliza para vigilar algún proceso u operación a
fin de obtener continua o periódicamente información del estado del sistema medido.
Control. Algunas veces la instrumentación se utiliza para controlar automáticamente el
funcionamiento de un sistema basándose en los cambios de uno o más de los
parámetros internos o en la salida del sistema.
El campo de la instrumentación bioelectrónica en general incluye, hasta cierto punto,
todos los objetivos anteriores del sistema general de instrumentación. La
instrumentación para investigación biomédica se puede considerar, por lo general,
como instrumentación de adquisición de información, aunque algunas veces incluye
algunos instrumentos de monitorización y control. La instrumentación para ayudar al
médico en el diagnóstico de enfermedades y otras alteraciones también se utiliza
extensamente. En la evaluación del estado físico de los pacientes en reconocimiento
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médico ordinario se utiliza una instrumentación similar. Se emplean además sistemas
de instrumentación especiales para la monitorización de pacientes durante una
operación o en cuidados intensivos.
La instrumentación bioelectrónica se puede clasificar por lo general en dos grupos
principales:
clínica
y de investigación.
La instrumentación de uso clínico está dedicada básicamente al diagnóstico, cuidado y
tratamiento de pacientes, mientras que la instrumentación de investigación se utiliza
principalmente en investigación para conocer algo nuevo acerca de los distintos
sistemas que componen el organismo humano. Aunque algunos instrumentos se
pueden emplear en las dos áreas, los instrumentos de uso clínico están diseñados por
lo general de forma que sean más robustos y más fáciles de utilizar. El interés se centra
en obtener un conjunto limitado de medidas fidedignas a partir de un grupo numeroso
de pacientes y en proporcionar al médico información suficiente que le permita tomar
decisiones clínicas. Por otro lado, la instrumentación de investigación normalmente es
más compleja, más especializada y diseñada frecuentemente para obtener un mayor
grado de precisión, resolución, etc. Los instrumentos clínicos los maneja el médico o la
enfermera, mientras que los de investigación los utilizan por lo general técnicos
especializados especialmente entrenados. El concepto de sistema hombre-instrumento
se aplica tanto a la instrumentación clínica como a la de investigación.
Las medidas en las que se emplea instrumentación bioelectrónica se pueden dividir
también en dos grupos:
in vivo e
in vitro.
Una medida in vivo es aquella realizada sobre o dentro del organismo vivo. Un ejemplo
podría ser un dispositivo insertado en la corriente sanguínea para medir el pH de la
sangre directamente.
Una medida in vitro es aquélla que se realiza fuera del organismo, aun cuando esté
relacionada con su funcionamiento. Un ejemplo de medida in vitro sería la medida del
pH de una muestra de sangre extraída de un paciente. Literalmente el término in vitro
significa «en vidrio», indicando así que las medidas in vitro se realizaron inicialmente
en tubos de ensayo.
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Aunque el sistema Hombre-Instrumento descrito hasta el momento se aplica
principalmente a las medidas in vivo, frecuentemente aparecen problemas para
obtener muestras adecuadas para medir in vitro y relacionar estas medidas con el ser
humano vivo.
1.2 COMPONENTES DEL SISTEMA HOMBRE-INSTRUMENTO. En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques del sistema hombre-instrumento.
Los componentes básicos de este sistema son esencialmente los mismos que en
cualquier sistema de instrumentación. La única diferencia real es que se tiene como
individuo un ser humano vivo.
Figura 1.1 Esquema de un Sistema Hombre-Instrumento
1.2.1 EL INDIVIDUO. El individuo es el ser humano en el que se realizan las medidas. Dado que es el
individuo quien hace a este sistema distinto a los otros sistemas de instrumentación,
los principales sistemas fisiológicos que constituyen el organismo humano se tratan
con mucho más detalle en el apartado 1.3.
1.2.2 ESTÍMULO. En muchas medidas, se necesita la respuesta a algún tipo de estímulo externo. La
instrumentación empleada para generar y presentar este estímulo al individuo es una
parte vital del sistema hombre-instrumento siempre que se miden las respuestas. El
estímulo puede ser visual (p. ej., un flash), acústico (p. ej., un tono), táctil (p. ej., un
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golpe en el tendón de Aquiles) o estimulación eléctrica directa de alguna parte del
sistema nervioso.
1.2.3 TRANSDUCTOR. En general un transductor se define como un dispositivo capaz de convertir una forma
de energía o señal en otra. En el sistema hombre-instrumento, cada transductor se
emplea para producir una señal eléctrica que es una analogía del fenómeno que se
mide. El transductor puede medir temperatura, presión, flujo o cualquiera de las otras
variables que se pueden encontrar en el organismo, pero su salida es siempre una señal
eléctrica. Es habitual utilizar dos o más transductores simultáneamente para obtener
variaciones relativas entre fenómenos.
1.2.4 EQUIPO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL. La parte del sistema de instrumentación que amplifica, modifica o cambia de alguna
otra forma la salida eléctrica del transductor, se denomina equipo de
acondicionamiento (o algunas veces, proceso) de la señal. El equipo de
acondicionamiento de la señal se utiliza también para combinar o relacionar las salidas
de dos o más transductores. Por tanto, para cada módulo del equipo de
acondicionamiento de la señal, tanto la entrada como la salida son señales eléctricas, si
bien la señal de salida frecuentemente está muy modificada con respecto a la entrada.
Luego en esencia, la finalidad del equipo de acondicionamiento de señal es procesar las
señales de los transductores para cumplir las funciones del sistema y preparar señales
adecuadas para el funcionamiento del equipo de visualización o registro siguientes.
1.2.5 EQUIPO DE PRESENTACIÓN. La salida eléctrica del equipo de acondicionamiento de señal se debe convertir, a fin de
que sea inteligible, en algo que pueda ser percibido por uno de los sentidos del hombre
convirtiendo así la información obtenida con la medición en algo comprensible. La
entrada del instrumento de presentación es la señal eléctrica modificada proveniente
del equipo de acondicionamiento de la señal. Su salida es algún tipo de información
visual, acústica o tal vez táctil. En el sistema hombre-instrumentación el equipo de
presentación puede incluir un registrador gráfico, fotográfico, magnético u óptico, que
realice un registro permanente de los datos para archivo.
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1.2.6 EQUIPO DE REGISTRO, PROCESO Y TRANSMISIÓN DE DATOS. Frecuentemente es necesario, o por lo menos deseable, registrar la información medida
para un posible uso posterior o para transmitirla de un punto a otro, ya sea al otro lado
del vestíbulo del hospital o a las antípodas. El equipo para estas funciones es con
frecuencia una parte vital del sistema hombre-instrumento. Además, donde se necesite
un almacenamiento o procesado automático de los datos o donde se emplee un control
por computadora, una computadora puede constituir parte del sistema de
instrumentación. Hay que tener en cuenta que el término registrador se utiliza en
instrumentación bioelectrónica con dos significados distintos. Un registrador gráfico de
pluma es realmente un instrumento de presentación de información utilizado para
producir un registro de señales analógicas en un papel, mientras que el equipo de
registro a que se refiere este párrafo incluye instrumentos donde se pueden guardar
los datos para recuperarlos en el futuro como son los registradores en cinta y discos
magnéticos o discos ópticos.
1.2.7 DISPOSITIVOS DE CONTROL. Allí donde sea necesario o deseable disponer de un control automático del estimulo,
transductores, o cualquier otra parte del sistema hombre-instrumento, se incorpora un
sistema de control. Este sistema consta por lo general de un lazo de realimentación
donde se emplea parte de la salida del equipo de acondicionamiento de la señal o de
presentación de la información para controlar de alguna forma el funcionamiento del
sistema.
1.3 SISTEMAS FISIOLÓGICOS DEL ORGANISMO. En los apartados anteriores se ha evidenciado que, para obtener medidas válidas del
ser humano vivo, es necesario tener conocimiento del sujeto sobre el que se realizan las
medidas. En el organismo humano se pueden encontrar sistemas eléctricos, mecánicos,
térmicos, hidráulicos, neumáticos, químicos y de otros diversos tipos, cada uno de los
cuales se comunica con un medio externo, e internamente con los otros sistemas del
organismo. Estos sistemas individuales se organizan para realizar muchas funciones
complejas, por medio de un sistema de control y una red de comunicación multinivel.
Mediante el funcionamiento integral de todos estos sistemas, y sus distintos
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subsistemas, el hombre es capaz de subsistir, aprender a realizar tareas útiles, adquirir
rasgos de personalidad y de conducta e incluso reproducirse.
Las medidas se pueden realizar en los distintos niveles de la organización jerárquica
del hombre. Por ejemplo, el ser humano como un todo (el nivel de organización más
alto) se comunica con su entorno de muchas formas. Estos métodos de comunicación se
podrían considerar como entradas y salidas de una caja negra y están ilustrados en la
figura siguiente. Además estas entradas y salidas se pueden medir y analizar de
múltiples formas. La mayoría son accesibles para medir, pero algunas, como la voz, la
conducta y el aspecto son difíciles de analizar e interpretar.
En la jerarquía de organización, lo que sigue al conjunto del ser son los sistemas
funcionales principales que incluyen el sistema nervioso, el sistema cardiovascular, el
sistema pulmonar, etc. Cada sistema principal se trata posteriormente en este capítulo,
y la mayoría se cubren con mayor detalle en capítulos posteriores. Igual que la persona
como un todo se comunica con su entorno, estos sistemas principales se comunican
unos con otros así como con el medio externo.
Estos sistemas funcionales se pueden desglosar en subsistemas y órganos que a su vez
se pueden subdividir en unidades cada vez más pequeñas. El proceso puede continuar
hasta el nivel celular y acaso incluso hasta el nivel molecular. La meta principal de la
instrumentación bioelectrónica es hacer posible la medida de la información
comunicada por estos diversos elementos. Sí se pudiesen medir todas las variables en
todos los niveles de la organización jerárquica y se pudiesen determinar todas sus
interrelaciones, se comprenderían mucho mejor las funciones de la inteligencia y del
organismo humano y probablemente se podrían definir completamente mediante las
leyes de la física, química y otras ciencias conocidas actualmente. El problema es, desde
luego, que muchas de las entradas en los distintos niveles de organización no son
accesibles para medir. Las interrelaciones entre elementos son a veces tan complejas
que incluyen tal cantidad de sistemas que las «leyes» y relaciones deducidas de ellas
son inadecuadas para definirlos completamente. Así pues, los modelos que se utilizan
actualmente contienen tantas suposiciones y restricciones que su aplicación con
frecuencia está seriamente limitada.
Aunque cada uno de los sistemas se trata con mucho más detalle en capítulos
posteriores, a continuación discutiremos brevemente la célula, los fluidos corporales y
los sistemas mayores del cuerpo, y como se interrelacionan para producir la máquina
autorregulada que en esencia es. El cuerpo contiene cientos de sistemas realimentados
negativamente que tienden a mantener un equilibrio interno constante. Este proceso se
denomina homeóstasis y le permite responder a cambios en el medio externo, también
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como cumplir con las regulaciones de los niveles de azúcar, sales, agua, equilibrio
acido-base, oxigeno, dióxido de carbono y otros materiales que importan para la vida.
Figura 1.2 Esquema donde se muestran posibles lugares para medir algunas variables
Biológicas
1.3.1 LA CÉLULA Todos los mamíferos, incluyendo el hombre, están hechos de elementos constitutivos
básicos, llamados células. Aunque se conocen muchos tipos de células, ellas difieren de
acuerdo a su función y son similares en sus constituyentes. Los diferentes tipos de
células realizan distintos trabajos y tienen grandes diferencias estructurales.
El tamaño de las células difiere en un amplio rango: de 200 nanómetros (1 nm = 10-9
metros) a varios centímetros de largo. La mayoría, sin embargo, cae entre 0.5 y 20
micrómetros (1μm = 10-6 metros). Un huevo de avestruz, que es una simple célula,
puede llegar a tener 20 cm de largo.
La célula contiene materiales usados en reacciones químicas que la mantienen
funcionando. Están rodeados de una membrana semipermeable. Esta membrana, no
solo contiene los materiales celulares, sino que selectivamente permite el paso, hacia
adentro y/o hacia afuera, de algunos de ellos. Además, dentro de la célula pueden
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existir estructuras membranosas que dividen el volumen en que se realizan distintas
reacciones químicas.
La estructura de muchas células incluyen un núcleo dentro de la célula, separado del
citoplasma que la rodea, por su propia membrana. El núcleo contiene el código genético
de las células que se reproducen.
Las células, en el cuerpo humano, son muy numerosas (se estima su número en más de
75 x 1012), de las cuales una tercera parte son glóbulos rojos. Los glóbulos rojos son las
células de la sangre responsables del transporte del oxígeno a los tejidos del cuerpo.
Todas las células en muchos animales retienen ciertas características, por ejemplo,
organización, irritabilidad (por ej, en respuesta a estímulos externos), nutrición,
metabolismo, respiración y excreción. Algunas células también pueden reproducirse.
Todas las células proceden de sus antecesoras por un proceso de división celular,
llamado cariocinesis ó mitosis. Las células hijas pueden tener distinto volumen de
citoplasma, pero su núcleo es exactamente igual.
1.3.2 FLUIDOS CORPORALES El cuerpo está constituido por aproximadamente 56% de fluidos. El fluido intracelular
contiene grandes concentraciones de iones potasio, magnesio y fósforo, en cambio el
fluido extracelular contiene importantes concentraciones de iones de sodio, cloro y
bicarbonato, oxigeno, aminoácidos, ácidos grasos, glucosa y dióxido de carbono.
1.3.3 SISTEMA MÚSCULO-ESQUELÉTICO Los músculos y huesos del cuerpo proveen locomoción, es decir la habilidad de
moverse y manipular su entorno. Si no fuera por la locomoción, los seres humanos
serian más dependientes de su entorno, en cambio pueden desplazarse para huir de
peligros, obtener alimentos y agua o crear barreras contra los elementos.
El sistema esquelético consiste en huesos y algunos cartílagos. Los huesos se relacionan
entre sí por articulaciones y juntas, que les permiten moverse relativamente. En
general, los músculos están insertados entre huesos articulados entre sí y su
contracción provee el movimiento de la articulación.
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1.3.4 SISTEMA RESPIRATORIO El sistema respiratorio introduce oxigeno en el cuerpo y elimina dióxido de carbono
producido como desecho por las células. Incluye boca, nariz, tráquea, bronquios y
pulmones. La sangre sin oxígeno del corazón derecho pasa a través de los pulmones,
donde apenas una membrana de 0.4 a 2 micrones separa los alvéolos, en los que entra y
sale el aire, de los capilares por donde circula la sangre. El oxígeno gaseoso del aire se
difunde a través de la membrana y se incorpora a la hemoglobina de la sangre; en
cambio, el dióxido de carbono sale de la sangre, se difunde a través de la membrana y
es exhalado a la atmósfera.
1.3.5 SISTEMA GASTROINTESTINAL El sistema gastrointestinal recibe su materia prima en forma de alimentos y líquidos,
procesándolos de forma que puedan ser absorbidos por el cuerpo. Ciertos órganos
digestivos son necesarios para procesar químicamente esas materias primas: El hígado,
los riñones, glándulas salivales y páncreas, además del estómago y el tracto intestinal.
El sistema incluye la boca, el esófago, estómago e intestino delgado y grueso.
La digestión de los alimentos es un proceso de trituración, licuefacción y proceso
químico de los elementos ingeridos, de tal forma que puedan ser utilizados por el
cuerpo. El proceso de digestión comienza en la boca, donde mecánicamente se trituran
los alimentos y la saliva comienza el proceso de ruptura química.
En el estómago se produce una mezcla y proceso químico. Los jugos gástricos se
mezclan con los alimentos en proceso formando una pasta lechosa. Las contracciones
del estómago, conocidas como ondas peristálticas que se producen aproximadamente
cada 20 segundos, favorecen esta mezcla y procesamiento, alcanzan presiones del
orden de 50 a 70 mm. H2O y cada vez que ocurren lanzan algunos mililitros del
contenido gástrico en el intestino.
Nutrientes y fluidos son absorbidos por el cuerpo del bolo que se mueve a través del
intestino. Es impulsado a una velocidad de 1 cm/min por débiles ondas peristálticas
intestinales.
Los productos no útiles y alimentos no digeridos son expelidos del cuerpo en la forma
de materias fecales desde el ano.
1.3.6 SISTEMA NERVIOSO
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El sistema nervioso es esencial al funcionamiento del organismo humano. Regula
nuestros sistemas automáticos de control, integra y almacena datos del mundo exterior
y de nuestros órganos internos, y regula y controla el sistema de locomoción. Puede
asimilarse a una inmensa computadora, unida por gran cantidad de vías de
comunicación a una variedad de sensores distribuidos por todo el cuerpo.
El sistema nervioso autónomo es responsable de la regulación de las funciones
automáticas del cuerpo: frecuencia cardíaca, secreción de glándulas, funcionamiento
del sistema gastrointestinal, etc. El sistema nervioso autónomo opera a un nivel
subconsciente. En general uno no se da cuenta de su funcionamiento.
El sistema nervioso sensorial recibe datos del mundo exterior y de algunos órganos
internos, a través de células que actúan como receptores sensoriales (transductores).
Los ojos y los oídos son órganos sensores para la luz y el sonido, respectivamente. Pero
hay otras estructuras sensoriales que son sensibles al dolor, calor, presión, etc.
El sistema nervioso central admite, asimila e integra datos del mundo exterior,
información del estado de los órganos internos, etc. El cerebro es el principal órgano
del sistema nervioso central y, como una computadora, puede almacenar, procesar y
general información, así como reaccionar a los estímulos. Incluye a la medula espinal.
1.3.7 SISTEMA ENDOCRINO Así como el sistema nervioso central actúa como un sistema eléctrico de comunicación
y control, el sistema endocrino es un sistema químico de regulación y control que
ayuda en la regulación de la homeóstasis.
Las hormonas, que son producidas por las ocho mayores glándulas endocrinas y
volcadas al torrente sanguíneo, controlan y regulan el funcionamiento de importantes
funciones orgánicas.
En general, el funcionamiento del sistema endocrino es de acción lenta, responsable de
funciones metabólicas, y el sistema nervioso central de las que requieren acción rápida.
1.3.8 SISTEMA CIRCULATORIO El sistema circulatorio es el responsable del transporte de fluidos alrededor del cuerpo
y de un órgano a otro. Si bien la circulación de la sangre es la evidencia notoria del
sistema circulatorio, existe una circulación linfática.
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La circulación de sangre es causada por la acción de una bomba, doble y de dos
tiempos: el Corazón. La sangre oxigenada en los pulmones retorna a la aurícula del
corazón izquierdo, pasa al ventrículo y es impulsada a través del cuerpo, entregando el
oxígeno necesario a todas y cada una de sus células. La sangre oxigenada fluye por
arterias y su retorno, ya entregado el oxígeno y cargada de dióxido de carbono y
desechos, lo hace por las venas. Este retorno venoso entra en la aurícula del corazón
derecho y es impulsada por el ventrículo correspondiente, a los pulmones, donde
entrega el CO2 y se carga nuevamente de O2.
La circulación sanguínea también transporta nutrientes y agua recogidos del tracto
gastrointestinal. Los nutrientes son procesados en el hígado y los productos de desecho
eliminados (filtrados de la sangre) en los riñones.
1.3.9 EL CUERPO COMO UN SISTEMA DE CONTROL Muchas funciones del cuerpo (estimadas de entre cientos y miles) se regulan mediante
lazos de realimentación negativa. Conceptualmente son idénticos a los que se estudian
en ingeniería y obedecen a las mismas leyes, aunque muchos de ellos aún no son bien
conocidos en todos sus componentes.
Cualquier lazo de realimentación negativa compara las condiciones que existen
actualmente con las que deben existir, accionando para cancelar parcialmente la
diferencia (error).
Un ejemplo de un sistema de control fisiológico, es la regulación automática de la
presión sanguínea. Sensores de presión en el sistema circulatorio (baroreceptores)
informan al sistema nervioso central de las condiciones que existen. Si la presión cae
por debajo de valores consignados como normales, el cerebro envía señales que
contraen los conductos, aumentando la presión. En cambio, si la presión sube, el
cerebro indica la dilatación de los conductos y la presión baja.
1.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS AL MEDIR EN UN SISTEMA VIVO Las exposiciones precedentes sobre el sistema hombre-instrumento y los sistemas
fisiológicos del organismo implican la realización de medidas en un ser humano. Sin
embargo, en algunos casos, se sustituye al hombre por animales para permitir medidas
o manipulaciones que no se pueden realizar sin algún riesgo. Aunque las restricciones
éticas a veces no son tan severas respecto a los animales, cabe esperar los mismos
problemas al intentar medir en cualquier sistema vivo. La mayoría de estos problemas
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se citaron en los primeros apartados del capítulo. Con todo, se pueden resumir del
modo siguiente:
1.4.1 INACCESIBILIDAD DE LAS VARIABLES A MEDIR. Uno de los mayores problemas al intentar medir en un sistema vivo es la dificultad de
acceder a las variables a medir. En algunos casos, como en la medida de la actividad
neuroquímica dinámica en el cerebro, es imposible colocar un transductor apropiado
en un punto para hacer la medición. A veces el problema surge del tamaño físico
necesario del transductor comparado con el espacio disponible para medir. En otros
casos, la operación médica necesaria para colocar un transductor en un punto desde el
que se pueda medir la variable hace que la medida sea poco práctica en seres humanos,
y a veces incluso en animales. Cuando una variable es inaccesible a la medida,
frecuentemente se intenta efectuar una medida indirecta. Este proceso incluye la
medida de otras variables relacionadas que hacen posible en ciertas condiciones una
estimación aprovechable de la variable inaccesible. Sin embargo, al utilizar medidas
indirectas se debe ser constantemente consciente de las limitaciones de las variables
supletorias y se debe ser capaz de determinar cuándo es inválida la relación.
1.4.2 VARIABILIDAD DE LOS DATOS. Pocas de las variables que se pueden medir en el organismo humano son variables
exactamente determinísticas. De hecho, tales variables se deberían considerar como
procesos estocásticos. Un proceso estocástico es una función temporal relacionada con
otras variables de una forma no determinista. Las variables fisiológicas no se pueden
considerar como valores estrictamente determinísticos sino que se deben representar
por algún tipo de distribución estadística o probabilística. En otras palabras, las
medidas realizadas en un instante bajo un conjunto de condiciones determinado no
serán necesariamente las mismas que las medidas similares realizadas bajo las mismas
condiciones en otro instante. La variabilidad de un individuo a otro es todavía mayor.
Aquí se deben emplear de nuevo métodos estadísticos para estimar las relaciones entre
variables.
1.4.3 ESCASEZ DE CONOCIMIENTOS SOBRE LAS INTERRELACIONES. La anterior variabilidad en los valores medidos se podría explicar mejor si se conociera
y se comprendiera más acerca de las interrelaciones en el organismo. Las medidas
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fisiológicas con grandes tolerancias son aceptadas frecuentemente por el médico
debido a lo escaso de sus conocimientos y a la incapacidad de controlar las variaciones
resultantes. Una mejor comprensión de las relaciones fisiológicas permitiría además
una utilización más efectiva de las medidas indirectas como sustitutos de medidas
inaccesibles y ayudaría al ingeniero o técnico en su labor de acoplar la instrumentación
al sistema fisiológico.
1.4.4 INTERACCIÓN ENTRE SISTEMAS FISIOLÓGICOS. Debido al gran número de lazos de realimentación incluidos en los principales sistemas
fisiológicos, existe un elevado grado de interacción tanto dentro de un sistema dado
como entre los sistemas principales. El resultado es que la estimulación de una parte de
un sistema dado, por lo general afecta de alguna forma a todas las demás partes de este
sistema (a veces de un modo impredecible) y a menudo afecta también a otros
sistemas. Por esta razón, las relaciones «causa-efecto» se hacen muy poco claras y
difíciles de definir. Aún en el caso de que se abran los lazos de realimentación, aparecen
anillos colaterales y todavía se presentan algunos aspectos del lazo de realimentación
original. Además, cuando un órgano o elemento se vuelve inactivo, a veces otro órgano
o elemento lleva a cabo su función. Esta situación es cierta especialmente en el cerebro
y otros puntos del sistema nervioso.
1.4.5 EFECTO DEL TRANSDUCTOR EN LA MEDIDA. Casi todos los tipos de medición están afectados de alguna forma por la presencia del
transductor de medida. El problema se complica mucho en la medida de sistemas vivos.
En muchas situaciones la presencia física del transductor cambia la indicación de forma
significativa. Por ejemplo, un gran transductor de flujo situado en un torrente
sanguíneo bloquea parcialmente el vaso y cambia las características presión-flujo del
sistema. Análogamente, un intento de medir los potenciales electroquímicos generados
en una célula individual, exige penetrar en la célula por medio de un transductor. Esta
penetración puede matar fácilmente a la célula o dañarla de tal modo que deje de
funcionar normalmente. Otro problema surge de la interacción discutida antes. Con
frecuencia la presencia de un transductor en un sistema puede afectar a la respuesta de
otros sistemas. Por ejemplo, un enfriamiento local de la piel para estimar la circulación
en esta zona, produce una realimentación que cambia el curso circulatorio como
reacción al enfriamiento. El efecto fisiológico de la medida también puede afectar a los
resultados. A largo plazo las técnicas de registro para la medida de la presión sanguínea
han mostrado que algunos individuos, que de otro modo tendrían presiones normales,
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presentan una indicación de presión elevada siempre que están en el consultorio
médico. Es una respuesta de miedo por parte del paciente que influye en el sistema
nervioso autónomo. En el diseño de un sistema de medida, el ingeniero o técnico en
instrumentación bioelectrónica debe tener el máximo cuidado en asegurar que el
efecto de la presencia del instrumento de medida sea mínimo. Debido a la limitada
cantidad de energía disponible en el cuerpo para muchas variables fisiológicas, también
se debe tener cuidado en evitar que el sistema de medida «cargue» la fuente de variable
medida.
1.4.6 ARTEFACTOS. En medicina y biología el término artefacto se refiere a cualquier componente de una
señal que sea extraña a la variable representada por la misma. De este modo se
consideran como artefactos el ruido propio generado por el instrumento de medida, la
interferencia electromagnética producida por todo tipo de transmisiones
radioeléctricas, radio, TV, Telefonía Celular, etc. (incluyendo la captación de ruidos
impulsivos y zumbido de 50/60 Hz. de la línea de alimentación), y todas las demás
variaciones inesperadas de la señal. También son artefactos las señales producidas por
el mismo individuo, pero correspondientes a un parámetro que no es el de medida (Por
ejemplo, al pretender obtener un electrocardiograma en un ambiente frío. el organismo
reacciona con movimientos musculares que producen perturbaciones eléctricas
superpuestas a la señal deseada, otra fuente importante de perturbación en la medición
en un sistema vivo es el movimiento del individuo, que produce a su vez un
movimiento del dispositivo de medida. Dado que muchos transductores son sensibles
al movimiento, cualquier movimiento por parte del individuo produce frecuentemente
variaciones en la señal de salida. A veces estas variaciones no se pueden distinguir de la
variable medida; en otros casos puede ser suficiente para oscurecer completamente la
información deseada. La aplicación de anestesia para reducir el movimiento puede
producir cambios inesperados en el sistema.
1.4.7 LIMITACIONES DE ENERGÍA. Muchas técnicas de medidas fisiológicas necesitan que se aplique cierta cantidad de
energía al sistema vivo para obtener una medida. Por ejemplo, las medidas de
resistencia necesitan que pase corriente eléctrica por los tejidos o la sangre donde se
mide. Algunos transductores generan una pequeña cantidad de calor debido al paso de
corriente. En la mayoría de los casos este nivel de energía es tan bajo que su efecto es
insignificante. Sin embargo, al tratar con células vivas, se debe tener cuidado
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continuamente para evitar la posibilidad de concentraciones de energía que puedan
dañar a las células o afectar a las medidas.
1.4.8 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD. Tal como se ha mencionado antes, los métodos empleados para medir variables en un
ser humano vivo no deben poner en peligro la vida o el funcionamiento normal del
individuo. El reciente énfasis en la seguridad hospitalaria requiere que se tome una
precaución extraordinaria en el diseño de cualquier sistema de medida para proteger al
paciente. De un modo parecido la medida no debería producir dolor, trauma o
incomodidad excesivos a menos de que sea necesario tolerar estas condiciones para
salvar la vida del paciente.
1.5 CONCLUSIÓN A partir de la exposición precedente debería resultar evidente que obtener datos de un
sistema vivo hace muy complejos los problemas de instrumentación. Sin embargo,
afortunadamente el desarrollo de transductores y la electrónica a partir de los
semiconductores, y la computación personal, han expandido la oferta de soluciones a
nivel asistencial, desde que personalmente entramos en este campo, hace años. No ha
tenido, sin embargo la misma fortuna, la comprensión de los riesgos que la
instrumentación conlleva. En el mundo prácticamente hay consenso sobre las Normas
del Comité Electrotécnico Internacional pero en nuestro país siguen incorporándose al
servicio equipos nuevos y/o reparados sin ninguna verificación de seguridad respecto
a las normas antes mencionadas.