Instrumentacion Biomedica - Alvaro Tucci

ALVARO TUCCI REALI

INSTRUMENTACIÓN

BIOMÉDICA

Instrumentación BiomédicaAlvaro Tucci Reali.

ISBN: 978-1-4303-2625-0Reservados todos los derechos.©Álvaro Tucci Reali. 2007Published by Lulu

A mi esposa.

A mi hijo Ing. Paul E. Tucci K., M.Sc. por su valiosos aportestécnicos y por el esfuerzo que realizó para enseñarme

los "trucos" de la PC.

A mi hijo Dr. Kay A. Tucci K. por aportar acertadassugerencias.

A mi hija Dra. Sonia A. Tucci K. por su valiosa ayuda en aclararalgunos conceptos relacionados con la ciencia médica.

A la Universidad de Los Andes.

Alvaro Tucci [email protected]

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Instrumentación Biomédica

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Alvaro Tucci Reali

Pág.

PresentaciónPresentaciónPresentaciónPresentaciónPresentación 13

PrefacioPrefacioPrefacioPrefacioPrefacio 15

Capítulo 1Capítulo 1Capítulo 1Capítulo 1Capítulo 1INSTRUMENTACIÓN MÉDICA

Desde el principio 17Los animales en la investigación médica 30Instrumentos médicos 32

El tacto y la medida de temperatura 33El oído y el estetoscopio 35La vista, el microscopio, los rayos x y otros 36Las lupas y el microscopio 37Los rayos X 42Los Radioisótopos y la Medicina 44La fibra óptica 49Los ultrasonidos 50La tomografía axial computarizada 50La resonancia magnética nuclear 51El laboratorio clínico 52

La instrumentación médica y la electrónica 53El electrocardiógrafo 53El electrobisturí 54La anestesia 54El láser 57El respirador artificial 59El desfibrilador 59El marcapasos 60El riñón artificial 61Otros desarrollos 62El computador 63

Capítulo 2Capítulo 2Capítulo 2Capítulo 2Capítulo 2ORIGEN DE LOS BIOPOTENCIALES

Introducción 67Naturaleza del impulso nervioso 69La membrana celular 74

Efectos del transporte NA+ y K

+76

Movimiento de los iones 77 Difusión por gradiente de concentración 77 Interacción de las partículas cargadas 80 Medida del potencial de membrana 83

ÍndiceÍndiceÍndiceÍndiceÍndice

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Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3SISTEMA NEUROMUSCULAR

Introducción 85El sistema nervioso 87

La neurona 91 Las neuronas sensoriales 93 Las neuronas motoras 94 Las neuronas de asociación 95El sistema nervioso central 95El sistema periférico 97El sistema somático o voluntario 100El sistema autónomo o vegetativo 100La comunicación neuronal 102

Los músculos 104La unión neuromuscular 105El movimiento de los vertebrados 107

Capítulo 4Capítulo 4Capítulo 4Capítulo 4Capítulo 4SISTEMA CIRCULATORIO

Introducción 109Las arterias 109Las venas 111Los capilares 111El corazón 112

Las células marcapasos 115Actividad eléctrica del corazón 116El corazón como bomba 118

Secuencia de la circulación 119

Capítulo 5Capítulo 5Capítulo 5Capítulo 5Capítulo 5RECOLECCIÓN DE SEÑALES BIOELÉCTRICAS

Las primeras mediciones 123Mediciones biológicas 125

Los transductores 126Los electrodos 128El potencial medio de celda (EC) 130Polarización de los electrodos 133Electrodos no polarizables 134Artefactos 134

Tipos de electrodos 135Electrodos superficiales 135Electrodos de aguja 142Microelectrodos 143

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Electrodos para electroestimulación 145Sugerencias en el manejo de electrodos 146

Capítulo 6Capítulo 6Capítulo 6Capítulo 6Capítulo 6AMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALES Y FILTROS

Amplificadores de biopotenciales 149Amplificadores de biopotenciales de alta impedanciade entrada y control de ganancia 153

Amplificadores de potencia 158Amplificadores de potencia tipo push pull 159

Características de los amplificadores 163Impedancia de entrada 163Ganancia de potencia 164Eficiencia 165Máxima transferencia de potencia 166

Fuentes de interferencia 170Rechazo en modo común 172Localización de fallas 174Precauciones en el manejo de los amplificadores 175Filtros 176

Clasificación de los filtros 176Respuesta a frecuencias 177Características de los filtros 178Filtros pasivos y activos 179Filtros LC 179Filtros activos 180Orden de los filtros 180Filtros rechaza banda 185

Capítulo 7Capítulo 7Capítulo 7Capítulo 7Capítulo 7EL ELECTROCARDIOGRAMA

Introducción 189Origen de el electrocardiograma 190Derivaciones electrocardiográficas 194

Derivaciones estándar 194Derivaciones aumentadas 197Derivaciones precordiales 199

Reducción de voltaje en modo común 201Algunas anomalías 201

Capítulo 8Capítulo 8Capítulo 8Capítulo 8Capítulo 8EL ELECTROCARDIÓGRAFO

El electrocardiógrafo 203Los electrodos 205

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Circuito de protección 206El selector de derivaciones 208El calibrador 209El amplificador diferencial 210El control de ganancia 210El control de posición de la plumilla 210El amplificador de potencia 211La unidad de registro 211La fuente de poder aislada 211El marcador de eventos 212La fuente de poder 212

Electrocardiógrafos especiales 213El ECG fetal 213El monitor cardíaco 215El ECG bajo esfuerzo 218El Holter 218

Averías frecuentes 219Interferencia de la linea 223Ruido generado por el lazo de tierra 225

Capítulo 9Capítulo 9Capítulo 9Capítulo 9Capítulo 9ULTRASONOGRAFÍA

Los ultrasonidos 229Revisión histórica 230Propagación de las ondas sonoras 234

Ondas longitudinales 235Ondas transversales 236

Características físicas 237Ultrasonidos en los tejidos 243

Velocidad de propagación 243Impedancia acústica 244Atenuación 245Espesor medio 246

Efectos de los ultrasonidos 247Generación de ultrasonidos 248Clasificación de las técnicas de exploración 250Exploración en Modo A 251

Instrumentos que operan en Modo A 252Exploración en Modo B 255

Instrumentos que operan en Modo B 258Exploración en tiempo real 260

Instrumentos que operan en modo real 262Resolución 265Presentación de la imagen 266Velocidad 267El Efecto Doppler 268Medida de la velocidad del flujo sanguíneo 271

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Sistema de compensación tiempo-ganancia 274Convertidores de barrido y procesamiento de imágenes 275Convertidores de barrido digitales 276Conversión analógico/digital 279

Pre-procesamiento 280Almacenamiento 280Post-procesamiento 281

Conversión digital/analógica 283Conversión en tiempo real 283Controles de los convertidores 283

Convertidores analógicos 284Aplicaciones clínicas / Ecoencefalografía 285

Oftalmología 286Cefalometría / Ecocardiografía 287Onda de choque, litiasis y ESWT 289

Capítulo 10Capítulo 10Capítulo 10Capítulo 10Capítulo 10UNIDADES ELECTROQUIRÚRGICAS

Introducción 291La electrocirugía 293El electrobisturí básico 294

Circuito equivalente 296El electrodo activo 297

Monitoreo del electrodo activo 298El electrodo de retorno 299

Monitoreo del electrodo de retorno 300Diagrama en bloques 300

Diagrama de las unidades 301Spark gap 301

La unidad de estado sólido 304El amplificador de potencia 307Consideraciones operacionales 312

El medidor de potencia 312Voltaje de operación 313Frecuencia de operación / Forma de onda 314

Electrocirugía monopolar y bipolar 314Efectos de la radio frecuencia 315

Capítulo 11Capítulo 11Capítulo 11Capítulo 11Capítulo 11EQUIPOS DE CIRUGÍA LASER

Dispositivos máser y láser 317Fuentes atómicas de luz 321Principio de funcionamiento del láser 322

Emisión por estimulación 323Estructura del láser 323Propiedades de la luz láser 324

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Dispositivos quirúrgicos láser 326El láser de co2 327El láser de argón 328El láser de cristal de estado sólido 329

Medidas de seguridad 330

Apéndice AApéndice AApéndice AApéndice AApéndice ASEGURIDAD ELÉCTRICA HOSPITALARIA

Introducción 331Efectos de la corriente eléctrica 332

Macroshock 333Microshock 337

Bus de alimentación 342El sistema de tierra 343Tierra en áreas de cuidado crítico 345

Corrientes de fuga 346Algunas normas de seguridad 347Técnicas de protección 349

Interrupción de la energía eléctrica 349Doble aislamiento 350Interrupción por fallas en el sistema de tierra 350El transformador de aislamiento 352Aislamiento óptico 353Alimentación con pilas 354

Medida de las corrientes de fuga 354Verificación del sistema eléctrico 357

Los tomacorrientes 357Programa de seguridad 360

Apéndice BApéndice BApéndice BApéndice BApéndice BTÉRMINOS MÉDICOS

Prefijos comunes 361Sufijos comunes 364Términos posicionales y direccionales 365

División anatómica posterior 366Términos de anatomía general 366

Cavidad abdominal 366Términos de uso general 367Términos del sistema circulatorio 368Teminos del sistema respiratorio 370Términos del sistema nervioso 372

BIBLIOGRAFÍA 375

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En el último siglo, especialmente en las últimas décadas, la cienciamédica se ha vuelto altamente sofisticada y fuertemente dependiente delos equipos electrónicos. Debido a ellos, la profesión médica ofrece unbuen número de especialidades, que en su constitución, ha tenidoinfluencia relevante o han sido consecuencia directa de desarrollostecnológicos. Las técnicas exploratorias, por ejemplo, representadas porinstrumentos que generan imagenes, han abierto comino a especialidadescomo la cardiología, la oftalmología o la medicina nuclear.

El empleo de estos equipos requiere de ciertos conocimientos básicos,conceptos físicos y principios de funcionamiento, que el médico deberíatener para operar eficientemente tan complejos instrumentos.

En forma similar, los ingenieros cuya actividad está relacionada conla instrumentación biomédica deberían tener un conocimiento adecuadode las ciencias biológicas relacionadas con la anatomía humana y lafisiología. Les ayudaría en el diseño y especialmente en el mantenimientode los costosos equipos médicos, tarea primordial en los países endesarrollo.

Este libro titulado "Instrumentación Biomédica", cuyo autor es elIng. Alvaro Tucci, llena las necesidades básicas, cubre y tiende puentespara que médicos e ingenieros puedan familiarizarse con la terminologíay el funcionamiento de instrumentos electrónicos propios de laespecialidad.

Durante treinta años, como director del Laboratorio deInstrumentación Científica de la Facultad de Medicina de la Universidad

Syed M. Wasim Syed M. Wasim Syed M. Wasim Syed M. Wasim Syed M. Wasim Ph DProfesor Titular de FísicaFundador y Director del CentrodeEstudiosde Semiconductoresde la Universidad de Los Andes.

PRESENTACIÓN

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de Los Andes, diseñó varias decenas de instrumentos, reparó y diomantenimiento a muchos centenares más.

Tengo la certeza que estudiantes de ingeniería y medicina encontraránen este libro las bases para iniciarse en la bioinstrumentación, materiaque seguramente será incluida en los próximos años en el pensum regular,tal como la ciencia computacional lo hizo en todos los campos del saber.

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PREFACIO

El aumento de la población mundial y las crecientes necesidadessanitarias, en conjunto con los expectaculares avances de la modernatecnología, han impulsado a la ciencia biológica y a la ingeniería acolaborar estrechamente a fin de producir nuevos y mejores instrumentos.

La bioelectrónica, la bioinstrumentación o la biométrica son ramasde la ingeniería orientadas a los seres vivos. Son interdisciplinas queaplican los conocimientos propios de la ingeniería y de la biología enbeneficio del hombre.

En el punto de encuentro, ingenieros, unidos a médicos y biólogosdesarrollaron o mejoraron los sistemas para permitir hacer tal o cualmedición. Los médicos, en su contacto diario con los pacientes, planteanlas necesidades instrumentales destinadas a mejorar el servicio sanitarioy los ingenieros diseñan y construyen nuevos instrumentos.

Este libro está dirigido a facilitar la convergencia entre ambasdisciplinas. Al autor le hubiera gustado disponer de un texto semejantecuando, como ingeniero en electrónica, tuvo que "enfrentarse" con losinstrumentos y la terminología médica.

Esta obra consta de diez capítulos; en el primero se desarrolla unasucinta reseña histórica de algunos acontecimientos médico-científicosque nos llevaron al actual desarrollo, haciendo especial énfasis en lainstrumentación y se resaltan algunos datos históricos importantesproducidos en este interesante campo.

Los cuatro capítulos siguientes tienden el puente. En ellos se repasanciertos aspectos de la biología que ayudan al ingeniero a entender unpoco más el vocabulario médico.

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Los cinco capítulos restantes están dedicados a describir instrumentosespecíficos; se expone su funcionamiento de la forma más simple posible,sin recurrir a conceptos matemáticos avanzados o al análisis detallado delos circuitos electrónicos.

Los instrumentos se describen por medio de bloques funcionales;excepcionalmente se analizan los circuitos y sistemas que componen losbloques, de manera que puedan ser interpretados según la disciplina a lacual pertenezca el lector.

El libro incluye dos apéndices; uno relacionado con la seguridadeléctrica hospitalaria y en el otro, se recogen algunos términos médicos.

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Instrumentación MédicaInstrumentación MédicaInstrumentación MédicaInstrumentación MédicaInstrumentación Médica

CAPÍTULO 1

LLLLLa fascinante historia de la medicina y el desarrollo de lainstrumentación médica, relata el esfuerzo sostenido, durantemilenios por muchas generaciones de investigadores y estudiososde la ciencia y la técnica, para afortunadamente conducirnos a suestado actual.

DESDE EL PRINCIPIODESDE EL PRINCIPIODESDE EL PRINCIPIODESDE EL PRINCIPIODESDE EL PRINCIPIOHasta épocas muy recientes el hombre conocía muy poco de

su organismo. Hace apenas 300 años aprendió algo acerca de lacirculación de la sangre. Sólo a partir de la segunda mitad delsiglo XX ha conseguido descubrir la función de muchos de susórganos.

El hombre prehistórico, al trocear los animales para comérselos,tuvo conocimiento de la existencia de ciertos órganos muy notorios,tales como el cerebro, el hígado, los pulmones, el corazón, losintestinos y los riñones. Papiros egipcios del 2000 a. de J.C., quetratan sobre las técnicas quirúrgicas, ya muestran algunafamiliarización con las estructuras del organismo humano. Losembalsamadores conocían los órganos y sus funciones, los extraíandel cuerpo para embalsamarlo y prepararlo para la vida futura.

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Instrumentación Biomédica / Instrumentación Médica

Los antiguos griegos, disecaban cadáveres humanos y deanimales para aprender anatomía (Palabra de origen griego que significaseccionar). Se consiguieron escritos de Alcmaeón de Cretón, deunos 500 años a. de J.C. donde se trataban asuntos tan específicoscomo el nervio óptico y la trompa de Eustaquio.

Dos siglos más tarde, en Alejandría, para entonces centro delmundo científico, se inició una escuela de anatomía conducida porHerófilo y su discípulo Erasístrato, donde se investigaron las partesdel cerebro, distinguiéndose el cerebelo, los nervios y los vasossanguíneos.

A pesar de estos descubrimientos, cuando el hombre enfermabadecían que estaba poseído por espíritus malignos. La idea sereforzaba si el individuo decía cosas incoherentes o actuaba comonunca lo había hecho. Sanaba en el momento, que por sí solo o conla ayuda del brujo, lograba expulsar los malos espíritus.

Esta creencia subsiste hasta nuestros días, y podemos observarlaen gran parte de nuestras civilizaciones.

Muchos hechizos y encantamientos están basados en unavigorosa fe de los poderes mágicos de la palabra. El brujo, actúacuando emplea la palabra "abracadabra", que es un credo hebreomuy antiguo y arraigado.

Los médicos del siglo II, ordenaban a sus pacientes que llevasenconsigo una hoja escrita y doblada. La escritura formaba con susletras un triángulo; tal práctica era usada como panacea contra todotipo de enfermedad, y todavía en la Edad Media se usaba comoprotección contra la peste. Así mismo, en numerosos países africanose islámicos, las personas llevan unas bolsitas de piel conteniendoversículos del Corán como amuleto protector.

La cirugía se practicaba para el tratamiento de heridas y lesiones.En los casos de locura se hacía la trepanación con instrumentos depiedra o metálicos, para que los malos espíritus salieran por el agujeroefectuado en el cráneo.

Los escritos griegos, romanos y árabes, desde el 400 a. de J.C.hasta la edad media, contienen descripciones de una serie detrabajos clínicos, como la inserción de una sonda hasta la vejigaurinaria, tratamiento de hernias, cataratas, cirugía plástica y cálculosen la vejiga. Para tratar estas y otras afecciones se disponía de unagran variedad de instrumentos.

El dios de la medicina griego se llamaba Ascelpio, y sus sacerdotes

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eran los médicos. El médico de más prestigio hacia el año 400 a. deJ. C. era Hipócrates, quien residía en el templo de Cos, en una isla enel mar Egeo. Hipócrates, tenía una manera de ver las cosas un pocodiferente a sus contemporáneos; creía que la enfermedad residía enel paciente, y en consecuencia había que tratarlo sin preocuparsepor los malos espíritus que pudieran albergarse en él.

Hipócrates, fundó su escuela que sobrevivió por siglos, y muchosde sus rasgos perduran todavía. En ella, los médicos tenían que utilizarlos sentidos y desarrollar grandes dotes de observación; se ateníanal sentido común para detener hemorragias, limpiaban y tratabanheridas, reducir fracturas y sobre todo prescindían de ritos mágicos.Sostenían que cada enfermedad tiene su causa natural, siendocompetencia del médico descubrirla, y una vez conocida podíahallarse el remedio.

Aconsejaba a los cirujanos trabajar con buena iluminación,mantener a los pacientes en posturas cómodas durante lasoperaciones y que empleasen los instrumentos idóneos, para quela intervención se llevase a cabo de una manera elegante.

Él y sus discípulos estaban convencidos de la importancia de lahigiene del paciente y del propio médico; eran partidarios del airepuro y fresco, entorno agradable y dieta equilibrada, basada enalimentos simples.

Los escritos de la escuela hipocrática están reunidos, sin distinciónde autor, en el Corpus Hippocraticum. El más conocido de ellos esquizás el juramento que tenían que prestar los médicos de su escuelapara ingresar a la profesión. Los principios hipocráticos semantuvieron casi intactos hasta la caída del Imperio Romano, a finalesdel siglo IV dC.

La anatomía alcanzó su nivel más alto con Claudio Galeno (131-200), médico de origen griego nacido en Pérgamo, quien trabajabaen Roma. Produjo algunas teorías relacionadas con el funcionamientodel cuerpo humano, que le fueron transmitidas por los árabes yconstituyeron la base de toda la medicina medieval.

Esas teorías, fueron aceptadas sin ningún género de dudasdurante los siguientes quince siglos. Como es de suponer, conteníancuriosos errores que no pudieron ser subsanados, puesto queinhibiciones de diversa índole impedían la disección del cuerpohumano. Los primeros escritores cristianos acusaban a los griegospaganos por haber realizado estas prácticas.

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La desaprobación de la Iglesia puso virtualmente punto final alos estudios anatómicos humanos durante la Edad Media. En esaépoca, el cuerpo humano y sus funciones eran una incógnita; loscadáveres eran sagrados y su disección estaba prohibida.

Durante el período de ignorancia que siguió a la caída del ImperioRomano hasta finales de la Edad Media, muchos de esosconocimientos médicos fueron olvidados y otros se perdieron. Lahigiene pública tan apreciada por los romanos fue descuidada, eincluso durante el Renacimiento la medicina progresó muy poco. Lasociedad medieval calificaba a los locos de pecadores, brujosposeídos por los malos espíritus y merecedores de la hoguera.

La principal preocupación filosófica en la Edad Media era la relacióndel ser humano con Dios, es decir, la teología. Sin embargo, a partirdel siglo XIII se inició un movimiento humanista que acabó por llamarseRenacimiento, el renacimiento del humanismo griego, interrumpidopor los siglos de la oscura Edad Media.

El inicio del humanismo indujo a los eruditos a interesarse porlas ciencias. En las escuelas de medicina de Italia se permitíadiseccionar los cadáveres. El anatomista más reconocido de la épocafue Mondino de Luzzi, quien enseñaba en la escuela de Bolonia.Mondino, fuertemente influenciado por anteriores autores árabes ygriegos, a quienes no se atrevía a contradecir aun cuando la evidenciabajo sus ojos mostrara lo contrario, publicó en 1316 el primer librodedicado a la anatomía. Dicho libro fue considerado un clásico durantelos siguientes dos siglos y medio.

Leonardo da Vinci, en el siglo XV efectuó algunas disecciones,donde reveló nuevos aspectos anatómicos magistralmenterepresentados por el genio de este autor. Mostró la doble curvaturade la columna vertebral y los senos de los huesos de la cara y lafrente.

Leonardo, a pesar de su genialidad científica y artística, tuvo pocainfluencia sobre el pensamiento científico de la época. No publicóninguno de sus trabajos, más bien los ocultó en libros escritos enclave. Fueron las generaciones posteriores quienes publicaron sushallazgos donde se evidencian sus maravillosos logros científicos.

Los primeros diseños anatómicos contentivos de cierta exactitudaparecieron publicados por el anatomista flamenco Andreas Vesalio(1514-1564), célebre profesor de anatomía de Padua. Siendoestudiante en París, para obtener sus datos hubo de robar cadáveres

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de criminales ajusticiados. Fue acusado de haber disecado el cuerpode un hombre honrado todavía vivo, lo que le valió una condena dela Inquisición, consistente en la peregrinación expiatoria a TierraSanta.

A diferencia de otros colegas de ese periodo, Vesalio deseabacomprobar con sus propios ojos aquellas afirmaciones hechas porlos griegos con las que no estaba de acuerdo. Reunió los resultadosde sus investigaciones en un libro titulado De Corporis Humani Fabrica(De la estructura del cuerpo humano). En él, se corrigieron más dedoscientos errores de Galeno.

El libro, se valía además las nuevas técnicas de impresión parareproducir las cuidadosas ilustraciones anatómicas dibujadas por elfamoso artista flamenco Jan Stephan van Calcar, quien había sidoalumno de Tiziano. Los dibujos de anatomía humana de su obra, sontan maravillosos y exactos que todavía se publican y son consideradosclásicos de la especialidad.

La obra de Vesalio se publicó en 1543, el mismo año que NicolásCopérnico formulara la Teoría heliocéntrica del Sistema Solar. Talcoincidencia, refuerza la idea de que esta fecha marca el comienzode la revolución científica.

Los descubrimientos de Vesalio llegaron a manos delexperimentador inglés William Harvey (1578-1657), quien fue médicode Carlos I de Inglaterra. Harvey, aplicó el método experimental alestudio de los seres vivos y llegó a la conclusión de que en lanaturaleza no existe la generación espontánea de la vida, enunciadaen su aforismo Omne vivum ex ovo (Todo lo vivo procede de unhuevo).

Se interesó particularmente por el líquido orgánico fundamental;la sangre, y se preguntó qué hacía allí. Se sabía que existían dosclases de vasos sanguíneos: las venas y las arterias. Galeno, habíademostrado que en vida estos vasos transportan sangre. Sabía,además, que el corazón impulsaba la sangre, ya que cuando secortaba una arteria ésta brotaba a un ritmo sincronizado con suslatidos. Propuso que la sangre seguía el curso de ida y vuelta por losvasos. Esta teoría, lo obligó a explicar porqué los movimientos deida y retorno de la sangre no eran bloqueados por la “pared” existenteentre las dos mitades del corazón. Lo explicó afirmando que eraporosa; poseía pequeños orificios invisibles que permitían el pasode la sangre.

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Harvey inició un estudio más detallado del corazón. Descubrióque cada mitad estaba dividida en dos cámaras separadas por unaválvula unidireccional. La sangre que entraba en una aurícula podíaser bombeada a su ventrículo y desde allí a los vasos que partían deél, pero en ningún caso podía circular en sentido contrario. Otrodato que contribuía a confirmar la hipótesis, es que en las venas demayor tamaño existen unas válvulas que permiten el paso de la sangreen un solo sentido. Este hecho era conocido por Harvey, pues habíasido señalado por su maestro Hieronymus Fabrizzi, mejor conocidocomo Fabricius.

Posteriormente, efectuó algunos experimentos sencillos y muyclaros, que le permitieron determinar el sentido del flujo en los vasos.Ató la arteria de un animal vivo y observó que de un lado del bloqueola presión ascendía dentro del vaso. Luego hizo lo mismo con lasvenas. Descubrió que las arterias siempre se hinchaban entre elcorazón y la atadura, con lo cual concluyó que la sangre fluye delcorazón hacia la periferia.

Harvey, aplicó por primera vez las matemáticas a un problemafisiológico; efectuó mediciones cuantitativas del flujo sanguíneo quelo condujeron a resultados acertados. Sus mediciones, le demostraronque el corazón bombeaba la sangre con un caudal tal que, en 20minutos, su volumen es igual al total de la sangre contenida en elorganismo. No parecía razonable suponer que tal cantidad de sangrefuese fabricada y consumida en tan corto tiempo, por lo que concluyó,sin ningún género de duda, que debía circular en circuito cerrado.

En 1628, publicó sus resultados en el libro titulado: De motuscardis (relativo al movimiento del corazón) y enunció sus leyes en laobra: Ejercitación anatómica sobre el movimiento del corazón y la sangreen los animales, desde entonces consideradas clásicas de la ciencia.

A pesar de los grandes descubrimientos de la época, el progresode la medicina fue muy lento. Hasta el siglo XIX no se pudieron hallarremedios adecuados para ciertas enfermedades, que durante milenioshabían constituido un auténtico azote para la humanidad. La medicinatuvo que luchar duramente durante muchos siglos contra la creenciacomún del demonio, de los malos espíritus y contra el uso de ritos yconjuros mágicos.

A pesar de que se ignoraba cómo se declaraba una enfermedad,exceptuado el castigo divino o la posesión demoníaca, se tratabade evitar a quienes estaban aquejados de determinadas dolencias,

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particularmente las “repulsivas” o fatales. Así, la lepra requería deaislamiento y los leprosos eran apartados de la sociedad.

Cuando se declaró la Peste Negra, las personas se apartabaninstintivamente de los afectados, los abandonaban y dejaban losmuertos insepultos.

En 1403, en la ciudad de Venecia, sus sabios gobernantes sedieron cuenta de que los brotes sucesivos de Peste Negra podíanevitarse si no se permitía que los extranjeros entrasen a la ciudad, amenos que aguardasen cierto tiempo. Si durante la espera nodesarrollaban la enfermedad, se les consideraba libres de ella y seautorizaba su entrada. El tiempo de espera fue de cuarenta días, deallí el nombre de cuarentena.

En una sociedad que no conocía otro medio de combatir lasenfermedades, la cuarentena era mejor que no hacer nada yseguramente de esta forma se salvaron muchas vidas. La cuarentenafue la primera medida de higiene pública, adoptada con el fin de lucharcontra las enfermedades.

Durante los dos milenios que siguieron a la escuela hipocrática,los médicos, a fin de obtener la información que les permitieradiagnosticar, utilizaban únicamente sus cinco sentidos. El verdaderoprogreso de la medicina se inició al principio de la EdadContemporánea, a finales del siglo XVIII, con una serie espectacularde descubrimientos. Durante dicho siglo, una terrible epidemia deviruela abatía Europa, dejando desfigurados a quienes no morían. Seestima que entre los años 1694 y 1794 se produjo la muerte de 60millones de personas, es decir, el 60% de la población europea.

Desde siglos, se sabía que era posible adquirir la inmunidad auna enfermedad, contrayéndola. En el Medio y Lejano Oriente, erapráctica común que el “médico” inoculase la viruela con tejidostomados de las llagas de un enfermo. Sin embargo, era cuestión desuerte que la persona inoculada sufriera la forma benigna de viruela,y adquiriera así inmunidad, o experimentara un ataque grave, tal vezfatal. Se trataba de una forma de curar sumamente peligrosa.

A pesar del indudable riesgo y de los numerosos casos fatales,los relatos de frecuentes curaciones no tardaron en difundirse portoda Europa. Muchos enfermos, al encontrarse peligrosamenteafectados, preferían correr el riesgo. Por lo tanto, durante ciertaépoca, el “injerto” de viruela y otros tratamientos que ofrecían algunaesperanza contra la enfermedad tuvieron gran aceptación.

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Fue una suerte que hacia el final del siglo XVIII, un médico ruralinglés, Edward Jenner (1749-1823), quien vivía en Gloucestershire,descubriera otro sistema de protección contra la viruela. Se habíafijado en un detalle muy curioso; las mujeres que ordeñaban lasvacas se infectaban sólo del tipo de viruela benigna, llamada viruelade vaca, que producía pústulas semejantes. Estas mujeresraramente se infectaban del tipo virulento y peligroso que ledesfiguraba la cara o las mataba. Ante tal hecho, Jenner se preguntósi la viruela de vaca actuaba como agente protector contra laenfermedad más virulenta.

Tal pregunta surgió en su mente a raíz de una conversación quetuvo con una joven campesina en busca de consejo médico, a quienJenner le habló del riesgo de contraer la viruela. ¡Oh no! -argumentóla joven-, no padeceré nunca de esa enfermedad, pues he sido “vacunada”.La joven explicó que era ordeñadora y que, al igual que suscompañeras, había sufrido de erupción en las manos y brazos debidoal contacto con las ubres inflamadas de las vacas. Añadió además,que los campesinos aseguraban que todo aquel que contraía esa“vacuna” ya no volvería a padecer de viruela.

Durante muchos años Jenner realizó laboriosas observacionesy comprobó que esta infección, relativamente inofensiva,proporcionaba inmunidad a brotes de viruela mucho más graves.

En mayo de 1796 se presentó la oportunidad de llevar a la prácticasu descubrimiento. Acudió a su consulta una joven lechera denombre Sara Nelmes con síntomas de viruela benigna. Jenner, tomópus de las pústulas de la lechera y lo depositó en dos cortes quehizo en el brazo de un niño de ocho años de nombre James Phipps.Dos meses después repitió el procedimiento, y posteriormentecomprobó que el niño nunca se enfermó de viruelas malignas. Fueasí como surgió el fundamento de la ciencia inmunológica.

Hoy se sabe que ambas enfermedades están estrechamenterelacionadas; la vacuna estimula la producción de anticuerpos en elorganismo, haciéndolo inmune a la enfermedad. La falta decomprensión del proceso de inmunización es lo que intrigaba aJenner, por tal motivo retardó la publicación de sus descubrimientos25 años, hasta 1798.

Jenner, con su hallazgo, había efectuado un procedimiento quese llamó vacunación, debido a su etimología: vaca, del latín vacca. Losmédicos de la época adoptaron ese nombre en forma despectiva.

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Argumentaban jocosamente que las personas sometidas a eseprocedimiento corrían el riesgo de volverse vacas. En el momentode su muerte, ocurrida en 1823, su vacuna era ya famosa en el mundoentero. Con ella, se inicia la lucha contra las enfermedades víricascomo la fiebre amarilla, la viruela y la poliomielitis, las cuales habíanproducido millones de muertes durante siglos.

Jenner, como muchos otros pioneros, fue objeto de numerosascríticas y burlas despiadadas. Algunos médicos, particularmentefranceses, lo acusaron de propiciar la aparición de nuevasenfermedades, que hasta entonces la humanidad no había padecido.Hubo informes "fidedignos" donde se afirmaba que un joven, despuésde haber sido vacunado, empezaba a andar a gatas, mugía y movía lacabeza como un toro. Los caricaturistas de la época tuvieronexcelente material contra la vacunación. Se hicieron poesías ycaricaturas ridiculizando el procedimiento; personas con cuernos orabo incipientes o pelos por todo el cuerpo.

En ocasiones, no sólo los médicos sino también la Iglesia estabaen contra de tal práctica, pues algunos clérigos afirmaban que erapecaminoso decidir quién debía sufrir esta enfermedad y quién no.Argumentaban que sólo Dios poseía esta prerrogativa. Finalmente,el rey Jorge III convocó la asamblea de la Real Academia de Médicoscon el propósito de investigar lo referente a la vacunación. El informefue tan favorable a Jenner que se acordó otorgarle un premio por10.000 libras.

Los trabajos de Jenner y el reconocimiento que le diera laprestigiosa Real Academia de Médicos, alentaron a los mejorescientíficos del siglo XIX, entre ellos el francés Louis Pasteur y el alemánRobert Koch, para que realizaren numerosas y prolíficasinvestigaciones.

Mientras Pasteur se hallaba investigando las bacterias, la vacunaya era práctica médica generalizada. Sin embargo, el científicoobservaba que la mayoría de los pacientes que sobrevivían a lasoperaciones morían poco después de septicemia.

Esas observaciones condujeron a Pasteur, en 1860, a confirmarsu teoría de que la mayor parte de las enfermedades eran causadaspor diminutos organismos denominados bacterias. Koch, llegó inclusoa aislar e identificar los microorganismos que provocaban variasenfermedades, entre ellas la tuberculosis y el cólera.

Nadie, hasta esa fecha, había comprendido cómo se producían

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las infecciones. Estos científicos abrieron el camino a los modernosmétodos de protección contra tales enfermedades.

Hasta finales del siglo XIX, un hospital era un lugar que infundíapavor; no solamente se le temía al bisturí del cirujano, sino tambiénla posible muerte después de la operación. Los índices de mortalidaddebidos a las operaciones y sus consecuencias eranestremecedores. ¿Porqué moría la gente? La respuesta se resumeen una palabra: infección.

Para esa época, el conocimiento de la existencia de gérmenesestaba limitado a unos pocos; Pasteur hablaba de ellos en París, peropor no ser médico, sus argumentos infundían poca credibilidad en elmedio, y la inmensa mayoría de los científicos no habían oído nisiquiera hablar de él.

En los hospitales, los médicos y enfermeras actuaban comoagentes transmisores de gérmenes. Era practica común que tocarancon sus manos varios enfermos sin tomar las más elementalesprecauciones, como las de lavarse las manos. Los vendajes de heridasinfectadas se intercambiaban entre los distintos pacientes, seempleaban las manos y vendajes contaminados para limpiar las heridas.

Los quirófanos eran habitaciones que tenían una litera en elcentro donde se acostaba el paciente. Había polvo y suciedad en elsuelo, la limpieza normalmente se efectuaba una vez por semana.Las ventanas estaban abiertas en verano y cerradas en invierno. Laspersonas entraban y salían de cualquier manera y a su antojo. Nadiellevaba bata especial ni equipo quirúrgico. Tanto el cirujano comosus ayudantes operaban con traje normal. Tal vez había una palanganapara lavarse las manos. Los instrumentos quirúrgicos estaban sucioso se habían usado ese mismo día en otras operaciones, algunas delas ellas en heridas infectadas.

Terminada la operación, el paciente era conducido de nuevo a lasala y allí yacía entre otros muchos enfermos con diversasafecciones. Sus vendajes eran cambiados por enfermeras que ibande un paciente a otro propagando las infecciones por toda la sala.En tales condiciones, era altamente probable que unos días despuéstuviese temperatura alta, se inflamase la herida y se formase pus.La gangrena lo asechaba, con el consiguiente peligro de perderalgún miembro o la vida.

Tal era la situación de los hospitales europeos a finales del sigloXIX, cuando un médico cirujano de Glasgow, llamado Joseph Lister

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(1827 - 1912), reparó en una frase de Pasteur que decía: "Lo másimportante y prometedor de mis estudios es algo muy sencillo: Laputrefacción es producida por fermentos vivos". Lo que hoy llamamosbacterias. Lister estaba convencido que los fermentos vivos eranlos causantes de la infección. Comenzó a idear métodos para impedirla gangrena e intoxicación de la sangre, secuela frecuente en lasintervenciones quirúrgicas por contaminación de las heridas.

Empezó entonces a buscar una sustancia que fuera capaz deeliminar dichos "fermentos". Por casualidad se enteró de que enCarlisle, pequeña ciudad situada al norte de Inglaterra, sedesinfectaban las cloacas con ácido carbólico, llamado también fenol.En 1865, empleó dicho ácido en un niño de once años, que teníauna pierna rota a consecuencia de haber sido atropellado por lapesada rueda de una carreta. Una fractura abierta como esa siempresolía acabar con la vida del paciente. Lister lavó la herida con ácidocarbólico diluido, la tapó con gasa empapada con ese mismo ácido yla cubrió con una lámina muy delgada de estaño que impedía laevaporación. Esperó tres días por señales de fiebre, pero ésta no sepresentó. Al cuarto día quitó las vendas y notó que el repelente olora putrefacción no existía. Había evitado la temible septicemia; habíanacido la asepsia.

A raíz de esta experiencia, Lister se convirtió en gran defensor dela limpieza de los instrumentos quirúrgicos y especialmente las manosdel cirujano. Convenció a sus colegas escoceses de la eficacia de sumétodo. Así, Lister, que al igual que otros cirujanos operaba con levita,insistió en el uso de desinfectantes y en hervir todo lo hervible.

Muchos años antes, incluso antes de Pasteur, otra persona habíasustentado ideas parecidas a las de Lister; era el obstetra HúngaroIgnaz Semmelweis (1818-1865). Semmelweis observó que el índicede mortalidad por infección en las salas de maternidad, donde losmédicos ayudaban en los partos, era tres veces más elevado quecuando el parto era auxiliado por comadronas. Sospechó que losmédicos y estudiantes de medicina podían “llevar consigo” alguna clasede contagio provenientes de las salas de operaciones y autopsia.

Para evitar la transmisión de la enfermedades, insistió que seadoptaran estrictas medidas de higiene en todas las salas de partoque estaban a su cargo. Pronto su experimento demostró serefectivo, ya que el índice de mortalidad descendióvertiginosamente. Sin embargo, esta experiencia pasó casi

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desapercibida, nadie supo apreciarla hasta treinta años más tardecuando Pasteur la confirmó.

Es indudable el mérito que tuvo Lister en el desarrollo de lacirugía antiséptica, entendiéndose ésta como la destrucción o elimpedimento de la multiplicación de los microbios, especialmentelos patógenos. En ella, se trata de combatir los gérmenes, pero node excluirlos de la zona operatoria. Por tal motivo, mientras operaba,un aparato esparcía constantemente una especie de llovizna en lazona operatoria, sobre el cirujano y sus ayudantes. Después de laoperación, la zona era tratada con el mismo desinfectante.

Gracias a la perseverancia y reputaciónde este escocés, sumétodo se extendió por toda Inglaterra. Fue nombrado profesorde cirugía del prestigioso hospital King’s College de Londres, dedonde la antisepsia se extendió por todo el mundo. Lentamentefue reemplazada por la asepsia, es decir; ausencia de infección ode agentes capaces de producirla.

Otro aporte importante lo hizo el cirujano americano WilliamHalstead, quien en 1896 introdujo los guantes de goma, no pormotivos médicos, sino para resguardar las delicadas manos de unabella enfermera con la cual se casó posteriormente. Algunos añosdespués se introdujo el uso de la mascarilla, la cual evitaba que losgérmenes contenidos en el aliento contaminasen al paciente.

La asepsia, o eliminación de los gérmenes mediante laesterilización de todos los objetos utilizados en las operaciones yen los quirófanos, fue introducida años después por el cirujanoberlinés Ernst von Bergmann. Este cirujano, utilizaba el vapor deagua para esterilizar las batas, toallas e instrumentos que empleabaen las operaciones.

Actualmente, el esterilizador es un instrumento corriente entodo lugar donde se practica la cirugía. Con el tiempo, sedesarrollaron sistemas más eficaces de esterilización por calor,entre los cuales se encuentra la autoclave o el horno de airecaliente, donde la temperatura se eleva hasta 160 ºC.

Hoy día se conocen muchas clases de bacterias; se hanidentificado unas 2500 especies diferentes, algunas desempeñanun papel esencial en la fertilización de la tierra, otras, que vivenen los intestinos del hombre y de los animales, ayudan a ladigestión. La industria las utiliza, entre otras cosas, para laproducción de quesos, vinagre y tratamiento de las aguas.

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Aunque muchas bacterias son útiles, otras son las responsablesde producir enfermedades. Las bacterias que provocanenfermedades se llama patógenas. Estas bacterias, son parásitosaltamente especializados que invaden el cuerpo humano y sereproducen en sus tejidos y líquidos. Los lesionan con lassustancias tóxicas que producen; las toxinas. Enfermedades comola tuberculosis, la lepra, la sífilis, la gonorrea, el tétano, el botulismo,la disentería, la difteria, son causadas por bacterias.

En circunstancias normales, el cuerpo humano posee defensascontra las bacterias, virus y hongos patógenos. Cuando agentesnocivos extraños penetran en la sangre, el organismo produceanticuerpos para combatirlos. Si el afectado sobrevive a lainfección, los anticuerpos que quedan en el organismo lo protegencontra otros ataques de la misma enfermedad.

Para prevenir las enfermedades bacteriológicas y micóticas, lainvestigación médica ha desarrollado la técnica de la inmunización.Las vacunas, preparadas con bacterias infecciosas muertas o muydebilitadas, son inyectadas al paciente, quien desarrolla lasdefensas que lo protegerán contra "ataques" futuros.

Gracias a las vacunas y a los métodos preventivos, enfermedadescomo el tifus, las viruelas y el cólera, ya no representan la mismaamenaza de antaño. Sin embargo, existen aún algunasenfermedades como la fiebre tifoidea y la peste, entre otras, quese presentan en forma de epidemias menores, especialmente enalgunas regiones. Estas enfermedades nos recuerdan que noestamos libres de las plagas del pasado.

A pesar de la cadena de triunfos contra las infecciones, debidasa los aportes de Joseph Lister, Louis Pasteur, Edward Jenner ymuchos otros valiosos científicos, el hombre no se ha librado dela amenaza de las enfermedades epidémicas.

Pasteur y Koch identificaron muchas bacterias causantes denumerosas enfermedades, sin embargo desconocían las causasque originaban otras. La respuesta la dio el bacteriólogo rusoDimitri Ivanowski, quien en 1892 demostró que una de lasenfermedades, la de la planta del tabaco, llamada mosaico del tabaco,era causada por agentes tan diminutos que no se pueden ver conlos microscopios ópticos y podían pasar por los filtros deporcelana, que las bacterias no podían franquear.

Más tarde, el agente infeccioso “tan filtrable” fue denominado

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virus, palabra latina que significa líquido vivo o veneno. Desdeentonces, los virus han sido identificados como la causa denumerosas enfermedades del hombre, animales y plantas.

La última pandemia viral que sufrió la humanidad se produjodespués de la Primera Guerra Mundial, entre 1918 y 1919; duranteesa época Europa se vio azotada por una enfermedad conocidacomo gripe española, que produjo más víctimas que la misma guerra.

Rara vez como en esos años la gripe había tomado un cursofatal. La alta mortalidad era debida al aumento de la virulencia delvirus, o a la invasión bacteriana secundaria, o ambas. En esos añosde pavor, no había suficientes médicos para atender a los pacientes.

La poliomielitis, otra temible enfermedad viral, que ataca elsistema nervioso de la población más joven, ha dejado depresentarse en forma de focos epidémicos importantes, debido alas vacunas desarrolladas por Salk y Sabin.

LOS ANIMALES EN LA INVESTIGACIÓN MÉDICALOS ANIMALES EN LA INVESTIGACIÓN MÉDICALOS ANIMALES EN LA INVESTIGACIÓN MÉDICALOS ANIMALES EN LA INVESTIGACIÓN MÉDICALOS ANIMALES EN LA INVESTIGACIÓN MÉDICALa experimentación con animales es tan antigua como la historia.

En el siglo IV a. de J.C., Aristóteles ya realizaba disecciones enanimales para estudiar su anatomía. Galeno, en el siglo II, trataba dedescubrir las funciones de los distintos órganos experimentandocon animales. El descubrimiento de la doble circulación de la sangre,realizada por el inglés William Harvey, nació también de laexperimentación y cortes realizados en animales vivos.

Muy escasos hubieran sido los avances de la medicina sin laexperimentación lógica y planificada, que con animales vivosrealizara Claude Bernard, famoso científico francés del siglo XIX.Bernard es reconocido como el precursor de la medicinaexperimental moderna. Sus pruebas fueron tan fecundas, que aúnhoy pueden considerárselas fundamentales en la investigaciónbiológica. Postuló que las secreciones internas producidas porlas glándulas, pasan al torrente sanguíneo para ejercer sus efectosen otros lugares del cuerpo. Su filosofía científica, abarcaba tambiénproblemas morales involucrados con la práctica de laexperimentación animal.

Hasta entrado el siglo XIX, en 1878, diez años después de lamuerte de Bernard, el profesor Oskar Minkowsky (1858-1931) dela Universidad de Estrasburgo, empezó un trabajo con animalesque lo llevó a la comprension de la diabetes. Casi por casualidad

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descubrió que extirpándole el páncreas a un perro daba lugar a laaparición de esa enfermedad.

Veinte años antes, Paul Langerhans, joven estudiante demedicina, había descrito pequeñas agrupaciones de células dentrodel páncreas, hoy llamadas “isletas de Langerhans”. Posterioresestudios microscópicos revelaron que en realidad esta glándulaestá compuesta por dos tipos de células, las que fabrican el jugopancreático para la digestión y otras, agrupadas en isletas, queproducen la hormona.

Después de su descubrimiento, Minkowsky pensó que lasisletas producían la hormona que faltaban a los diabéticos. Durantelos treinta años siguientes, se hicieron numerosas tentativas parala extracción y empleo de esta sustancia.

Un trabajo relevante realizado con animales experimentales lorealizó en 1919, en la Universidad de Toronto, el joven médicocanadiense Frederick Banting. A pesar de las grandes dificultadeseconómicas a que se enfrentabe, descubrió que si se ligaba elconducto que transporta el jugo pancreático al intestino, la mayorparte de la glándula era destruida, pero las células de las isletassobrevivían. Así logró aislar la insulina que utilizó para tratar a unperro que padecía un coma diabético provocado. Después deltratamiento, el azúcar de la sangre descendió a niveles normales yel animal se recuperó. En 1922 fue tratado el primer pacientehumano. Antes de este descubrimiento, cualquier niño quepadeciera de diabetes moría al cabo de dos años y los adultoslograban vivir alrededor de seis meses.

La diabetes, enfermedad ya conocida por los griegos, fue mortalhasta las primeras décadas del siglo XX. Su nombre deriva delgriego; diabetes, que significa pasar a través, o sifón; haciendoreferencia a la gran producción de orina tan característica de esaenfermedad.

En el siglo VI, un médico hindú muy observador se dio cuentaque los insectos eran atraídos por su orina. Tom Willis, médico decámara de Carlos II de Inglaterra, al saborearla, descubrió el sabordulzón de la orina de los diabéticos. Pronto quedó demostradoque era debido a la presencia de azúcar, por tal motivo, el adjetivomellitus fue asociado a su nombre.

El hecho de que los diabéticos orinasen en demasía, habíahecho pensar que se trataba de una enfermedad renal. Hoy

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sabemos que la diabetes es una afección que trastorna laconversión de los hidratos de carbono en energía. Este procesosólo tiene lugar en presencia de la insulina, una hormona producidapor las isletas de Langerhans del páncreas, glándula de gran tamañosituada en el repliegue del intestino llamado duodeno.

La historia de la insulina por sí sola, posiblemente justifica laexperimentación con animales. No cabe duda de que millones devidas humanas han sido salvadas gracias a este descubrimientoefectuado en los laboratorios de Bernard en Francia, luego enAlemania y finalmente en Canadá.

En 1888, los colaboradores de Pasteur, Pierre Roux (1853-1933)y Alexandre Yersin (1863-1943), averiguaron que el microorganismode la difteria producía una toxina que era responsable de casitodos los trastornos de la enfermedad. Experimentos posterioresdemostraron que la toxina podía ser neutralizada por una sustanciapresente en la sangre de conejillos de Indias que habían sufridola enfermedad. Así nació el concepto de antitoxinas. Los animalesinfectados con difteria, que habían sobrevivido a la enfermedad,podían usarse para la producción de antitoxinas.

Son muchos los medicamentos obtenidos por medio de laexperimentación con animales. Sin embargo, no es garantíaabsoluta que una droga efectiva para los animales se comporteen forma similar en el hombre.

Las nuevas técnicas quirúrgicas, los trasplantes, las máquinasde riñón artificial y corazón – pulmón, deben su funcionamiento ala experimentación con animales.

INSTRUMENTOS MÉDICOSINSTRUMENTOS MÉDICOSINSTRUMENTOS MÉDICOSINSTRUMENTOS MÉDICOSINSTRUMENTOS MÉDICOSLos instrumentos médicos se desarrollaron gracias al esfuerzo

silencioso de muchos miles de científicos, ingenieros einvestigadores, que con su perseverancia, ingenio ydesprendimiento, lograron realizar, perfeccionar, producir eintroducir en la práctica médica, instrumentos cada vez másprecisos, eficientes y seguros.

El propósito fundamental del instrumento es aumentar lacapacidad del ser humano. Con la palanca se pueden levantarpesos mayores; con la rueda, moverse más rápido; con el tamboro la radio, comunicarse a mayores distancias; con el microscopio,ver partículas más pequeñas; con el telescopio, ver a distancias

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mayores; en fin, los instrumentos permiten extender el alcancede los sentidos.

EL TACTO Y LA MEDIDA DE TEMPERATURAEL TACTO Y LA MEDIDA DE TEMPERATURAEL TACTO Y LA MEDIDA DE TEMPERATURAEL TACTO Y LA MEDIDA DE TEMPERATURAEL TACTO Y LA MEDIDA DE TEMPERATURALos signos vitales son mediciones básicas que determinan el

estado físico del ser humano. Los cuatro principales son latemperatura, el pulso, la respiración y la presión sanguínea. Sinembargo, la temperatura no pudo ser medida hasta el siglo XV.Antes, sólo podían hacerse afirmaciones como: esto es frío oaquello es caliente; o esto es más caliente de aquello.

Para medir la temperatura fue necesario encontrar algúnparámetro físico mesurable que variara con la temperatura, comopor ejemplo, la dilatación de las sustancias al calentarse. Estapropiedad fue aprovechada por el científico italiano Galileo Galilei,quien en 1603 construyó su termómetro, palabra de origen griegoderivada de thermes y metron, equivalentes a calor y medidarespectivamente.

Para construir el termómetro, Galileo invirtió un tubo de vidrioque contenía aire caliente sobre una vasija que contenía agua(ver figura 1.1a). Cuando el aire se enfrió el agua subió por eltubo, y dejó de hacerlo al igualarse su temperatura con la delmedio ambiente. Galileo, demostró que la altura de aguasuccionada variaba con la temperatura. Cuando la temperaturadel aposento cambiaba, el nivel de agua en el tubo también lohacía. De este modo la altura del agua era una expresión de latemperatura.

Figura 1.1. (a) Termómetro de Galileo.(b) Termómetro del Gran Duque de Toscana.

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En 1625, el físico eslavo Santorio Santorio aplicó el principioideado por Galileo para medir la temperatura del cuerpo humano.Tanto Santorio como Galileo, pronto se dieron cuenta de que lavariación de presión atmosférica alteraba los resultados de lasmedidas. Esto era debido a que la superficie del agua en la vasijaestaba en contacto con la atmósfera.

El inconveniente fue resuelto 25 años más tarde por el GranDuque de Toscana. En efecto, en 1654, el Gran Duque Fernando IIselló el tubo y lo aisló de la presión atmosférica. Su termómetro,consistía en una ampolla en la cual el liquido se dilataba o contraíapor efecto de la temperatura y ascendía por el tubo vertical dondeera indicada. (ver figura 1.1b).Fernando II sabía que los líquidoscambian de volumen con la temperatura. Apoyado en esteprincipio, logró llenar una ampolla de volumen adecuado con lacantidad justa de líquido, de modo que al dilatarse sólo podíahacerlo ascendiendo por el capilar. Como el diámetro del capilares pequeño, los ascensos y descensos eran medibles.

El físico inglés Robert Boyle, utilizando un termómetro muyparecido, demostró que la temperatura del cuerpo humano esconstante y bastante superior a la del medio ambiente.

En 1714, el artesano danés fabricante de instrumentos GabrielFahrenheit, introdujo mercurio en la ampolla y utilizó su dilatacióncomo variable dependiente de la temperatura. Además, le anexóal tubo capilar la escala graduada para facilitar su lectura.

El método empleado por Fahrenheit, para establecer la escalaque lleva su nombre, tiene como límite inferior la temperatura másbaja que pudo obtener en su laboratorio; el punto de congelaciónde la mezcla de sal y hielo. Sobre esa base fijó la solidificación delagua a 32 grados y la ebullición a 212 grados. En el Reino Unido yotros paises angloparlantes todavía se emplea esta escala.

La temperatura del cuerpo humano es muy constante, sisobrepasa en un grado o dos el nivel considerado normal, se diceque hay fiebre; un síntoma evidente de enfermedad.

En 1858, el médico alemán Karl August Wunderlich, utilizabafrecuentes comprobaciones de la temperatura corporal como nuevoprocedimiento para seguir el curso de una enfermedad.

En la década siguiente, el médico británico Thomas Clifford Allbuttinventó el termómetro clínico. El capilar lleno de mercurio tiene unestrangulamiento en la parte inferior. El efecto del estrangulamiento

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es que el mercurio se eleva hasta la cifra máxima y no desciende.Así, la temperatura máxima queda registrada.

En 1742, el astrónomo sueco Anders Celsius, adoptó unaescala diferente a la de Fahrenheit: estableció el cero como elpunto de solidificación del agua y el 100 como el de ebullición.Dividió el intervalo donde el agua permanece líquida en 100 partesiguales, de allí el nombre de escala Celcius o centígrada. (Palabraproveniente del latín centum y gradus equivalentes a “cien” y“peldaños” respectivamente).

EL OIDO Y EL ESTETOSCOPIOEL OIDO Y EL ESTETOSCOPIOEL OIDO Y EL ESTETOSCOPIOEL OIDO Y EL ESTETOSCOPIOEL OIDO Y EL ESTETOSCOPIOLos antiguos médicos griegos para diagnosticar colocaban el

oído en el pecho, espalda o abdomen del paciente a fin de percibirlos sonidos provenientes del corazón, las vías respiratorias y losruidos intestinales.

Para incrementar el nivel del sonido se empleó el “tubo paraoír”. El estetoscopio es un refinamiento de este tubo. Su desarrollose debe probablemente al médico francés T.H. Laennec, quien en1819 lo utilizó con la finalidad de no contagiarse al colocar el oídoen contacto con la piel del paciente. Luego se dio cuenta de quese incrementaba la calidad y volumen de los sonidos percibidos.

Figura 1.2. Corte del tubo de oír.....

Consiste en un tubo de la forma mostrada en la figura 1.2. Afin de obtener un buen acoplamiento de impedancia acústica entreel cuerpo del paciente y el “tubo de oír” se le daba la forma indicada,con lo cual se conseguía mayor eficiencia de transmisión.Otras

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mejoras fueron aportadas 40 años más tarde, en 1860, por losnorteamericanos George P. Camman y S. Scott, quienesconcibieron el estetoscopio tal como lo conocemos hoy en día.

LA VISTA, EL MICROSCOPIO, LOS RAYOS X Y OTROSLA VISTA, EL MICROSCOPIO, LOS RAYOS X Y OTROSLA VISTA, EL MICROSCOPIO, LOS RAYOS X Y OTROSLA VISTA, EL MICROSCOPIO, LOS RAYOS X Y OTROSLA VISTA, EL MICROSCOPIO, LOS RAYOS X Y OTROSEl oftalmoscopio, inventado en el siglo XIX por el científico

alemán Hermann von Helmholtz, es un instrumento médico noinvasivo que permite ver dentro de ciertas cavidades del cuerpocomo el oído, la nariz o los ojos. Su configuración básica semuestra en la figura 1.3.

El espejo semitransparente dirige parte de la luz hacia el ojodel paciente, de allí, una fracción se transmite hacia el ojo delobservador quien puede ver entonces el fondo del ojo. Si setratara de observar directamente el fondo del ojo sin el empleodel espejo semitrasparente, la cabeza del observador arrojaríasombra sobre la córnea y no podría observar su retina.

Un desarrollo similar se produjo en 1855, cuando se colocóun espejo en la parte posterior de la garganta, lo cual permitióexaminar las cuerdas vocales.

Figura 1.3. El Oftalmoscopio

Las lentes fueron usados hace algunos siglos para leer y paramagnificar. Se cuenta que en 1608 el anteojo fue inventado por un

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niño, el hijo de un fabricante de lentes ópticos, el holandés HansLippershey, mientras jugaba con lentes en el taller de su padre.

La noticia del descubrimiento llegó a Italia. Galileo, porcasualidad, oyó comentarios relacionados con el instrumento.Luego de varios ensayos, un año después logró encontrar la mismacombinación de lentes que había obtenido el niño, de allí el nombredel “holandés y Galileo” que recibe el anteojo.

Galileo, construyó además el primer telescopio y prontoaprendió a construir instrumentos más perfectos y con mayoresaumentos. Fue pionero de la física y el primero en aplicar las leyesque iba descubriendo al mundo real, especialmente a la biología;por tal motivo es considerado el precursor de la biofísica.

Aplicó la invariabilidad del período del péndulo para medir lafrecuencia cardíaca, el termómetro a la medición de la temperatura,estudió la relación que existe entre el tamaño de un animal y sushuesos, extrayendo acertadas conclusiones acerca de los límitesentre el tamaño del animal y la gravedad.

LAS LUPAS Y EL MICROSCOPIOLAS LUPAS Y EL MICROSCOPIOLAS LUPAS Y EL MICROSCOPIOLAS LUPAS Y EL MICROSCOPIOLAS LUPAS Y EL MICROSCOPIOSin duda, se puede afirmar que las lupas y el microscopio

revolucionaron la biología y la medicina. Permitieron a los científicosver un universo distinto al que se podía ver a simple vista. Elmicroscopio surge de la necesidad de investigar de "como estánhechas las cosas", de ir hacia lo más pequeño, de intentar penetrarlos secretos de la materia.

A pesar de que sus lentes estaban imperfectamente pulidas ylos objetos ampliados aparecían como burbujas cubiertas de pelusay hechos de estructuras inapreciables, los científicos de la épocale dieron gran utilidad.

Hace casi tres siglos, un holandés, Anton Van Leeuwenhoek(1632 - 1723), aficionado a pulimentar lentes, pulió algunas contal precisión que, utilizando lentes simples, logró aumentar laimagen hasta 200 veces.

Se sabía que las lupas producían aumentos limitados. La ideamás simple para obtener mayor magnificación consiste en utilizardos lupas, una a continuación de la otra, de manera que la imagenpueda ser ampliada dos veces. Esta idea fue utilizada por muchoscientíficos a mediados del siglo XVII, con lo cual se creó elmicroscopio compuesto.

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Uno de los científicos que lo utilizó fue el antes citado VanLeeuwenhoek, quien escribe en 1683 a un colega inglés: “Por lamañana acostumbro frotarme los dientes con sal y me enjuagodespués la boca con agua. A menudo, después de comer me limpiolos molares con un mondadientes y los froto enérgicamente conun trozo de tela.......”

Indudablemente Leeuwenhoek cuidaba y estaba orgulloso desu dentadura. No obstante, a pesar de sus cuidados, observabaentre sus dientes una sustancia blanca que se disolvía con aguade lluvia, a la que enfocó con su microscopio. Como resultado detal examen escribió: “Observé entonces, con gran asombro, queen la citada materia existían numerosos animalitos vivos, dotadosde movimientos, muy bonitos”.

Leeuwenhoek acababa de descubrir los microbios, y elmicroscopio era el único instrumento que permitía la observaciónde tan diminutos e importantes seres vivos. Sin embargo, loscientíficos de la época no le dieron importancia al descubrimientode los “bonitos animalitos", ya que por su tamaño, los considerabaninsignificantes.

Sólo en el siglo XIX, con el desarrollo de instrumentos ópticos,comenzó el estudio sistemático de los “animalitos”. Al comienzo,los científicos no comprendieron que las bacterias eran los agentesresponsables de muchas enfermedades. Su mayor preocupaciónradicaba en averiguar el origen de los microbios. Se creía que segeneraban espontáneamente de la materia putrefacta o corrompiday no mediante semillas o esporas.

Hacia 1590 se idearon instrumentos que usaban combinacionesde varias lentes convexas. Con ellas se construían microscopiosmás potentes, que ayudaron a inglés Robert Hooke (1635-1703)para que en 1648 descubriera la existencia de células en los tejidosanimales y vegetales. Con ello apareció un mundo aún más pequeño;el de las levaduras.

El empleo del microscopio situó a los biólogos en posición depoder entender la organización de los seres vivos. El mismo Hooke,utilizando un microscopio compuesto construido por el mismo,descubrió que el corcho, corteza de cierto árbol. El corcho estabaformado por compartimentos vacíos muy pequeños, similares a unaesponja fina. A estos compartimentos los denominó células, nombreproveniente por analogía con las celdas de los monasterios.

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Más tarde, se hallaron muchos seres vivos compuestos decélulas similares. Se hizo evidente que toda materia viva estabaconstituida por células y que cada una era una unidad independientede vida.

En 1824, el fisiólogo francés René Dutrochet (1776-1847), enuna publicación que pasó prácticamente inadvertida, se refería aalgunas formas de vida, tal como la de ciertos microorganismosque estaban formados por una sola célula. Mientra que losorganismos de mayores dimensiones estaban formados por muchascélulas, coordinadas en alguna forma para que pudieran cumpliruna función.

La teoría celular ganó importancia después de que MatthiasSchleiden (1804-1881) y Theodor Schwann (1810-1882) de Alemania,la formularon independientemente en 1838 y 1839,respectivamente. Su importancia fue confirmada cuando el patólogoalemán Rudolf Virchow (1821-1902), en 1860, afirmó: “En animalesy plantas toda célula procede de otra célula”.

En aquel entonces ya resultaba evidente que todo organismovivo empezaba su vida como una célula única. De la fertilización deun óvulo con un espermatozoide (del griego equivalente a semillaanimal) y después de repetidas divisiones celulares, de ese óvuloemerge un ser vivo.

Hacia 1850, la creciente industria vinícola francesa atravesabamomentos difíciles. El vino, durante el proceso de envejecimiento,se agriaba y no era posible beberlo. Este problema fue planteado aljoven decano de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Lille,situada en el corazón de la región vinícola francesa. Este jovendecano era Louis Pasteur (1822 - 1895).

A Pasteur le pareció ver con su microscopio, que después definalizada la fermentación permanecían algunas levaduras. Sospechó,entonces, que eran las causantes del agriamiento y se propusoeliminarlas. A tal fin sugirió a la horrorizada industria vinícola francesaque el vino, después de terminada la fermentación, debía sercalentado suavemente a objeto de exterminar las levadurasrestantes. Predijo acertadamente que después del tratamiento, elenvejecimiento del vino proseguiría sin alteraciones en suscaracterísticas de cuerpo, sabor, olor y color, y que ya no se agriaría.

Al proceso de “suave calentamiento” se le conoce hoy en díacomo pasteurización. Este efectivo proceso, fue posteriormente

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aplicado a la leche y a la cerveza para eliminar los gérmenes yfermentos.

Pasteur, con sus descubrimientos ,introdujo una serie deproductos hoy día empleados en medicina preventiva y eninmunizacion. Se interesó por el proceso de la fermentaciónalcohólica y de soluciones azucaradas, experimentó con laslevaduras de la leche y demostró que las bacterias no se producenespontáneamente. Descubrió que los microbios eran los agentesde la fermentación del vino y los responsables de que la leche seagriara. También sugirió que podían ser la causa de numerosasenfermedades.

Al médico alemán Robert Koch (1843-1910), demostro en formaconcluyente que las bacterias podían provocar enfermedades. Enefecto, en 1876 estableció que el ántrax, enfermedad que atacaciertos animales, era causaba por una bacteria. Seis años más tardeaisló el bacilo responsable de la tuberculosis.

El descubrimiento de que muchas enfermedades comunes eranoriginadas por las bacterias causó revuelo científico universal.

En 1879, accidentalmente, Pasteur inyectó unos pollitos conun cultivo rancio de gérmenes de cólera. La inyección no produjoinfección y los pollitos nunca llegaron a enfermar. Pasteur, observóla semejanza entre la protección que su cultivo brindaba y la vacunade Jenner contra la viruela. Pronto produjo una vacuna contra elcólera de las gallinas.

Quizás su aporte más importante a la ciencia fue el advertir larelación entre inmunización y enfermedad.

Hacia 1930, el químico alemán Gerhard Domagk (1895-1964),buscando una sustancia que destruyese los gérmenes sin perjudicarel organismo, descubrió el prontosil, familia de las sulfamidas hoyutilizado para el tratamiento de diversas enfermedades infecciosas.

En Londres en 1928, Alexander Fleming (1881-1955), observóque en un cultivo enmohecido, el moho estaba destruyendo losgérmenes. Con esa observación, había descubierto un poderosogermicida externo que llamó penicilina.

Diez años más tarde, el bioquimico anglo-alemán Ernest Chain(1906-1979), trabajando sobre las notas de Fleming pudo probarque este producto era sumamente efectivo contra enfermedadesinfecciosas. Aplicó la penicilina para uso interno y obtuvo el primerantibiótico.

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A partir de Van Leeuwenhoek, los investigadores prosiguieronafanosamente la búsqueda de nuevos medios para luchar contratodos esos “diminutos y nocivos animalitos”. Sin el auxilio delmicroscopio, como extensión de la vista, ninguno de estosdescubrimientos hubiera sido posible.

En la actualidad, potentes microscopios utilizan todos losrecursos de la técnica para obtener mayores aumentos y mejornitidez de la imagen. Sin embargo, existe un límite infranqueable: lanaturaleza de la luz se opone a que la magnificación sobrepasecierto valor.

Lo anterior fue señalado por el físico alemán Ernest Karl Abbe(1840-1905), quien en 1878 afirmó que: “Cuanto más pequeñosson los objetos más indefinidos serán sus perfiles, ya que las ondasluminosas empiezan a contornearlos.” Desde luego, el remedioconsiste en emplear longitudes de ondas más cortas. A tal fin sedesarrolló el microscopio que emplea la luz ultravioleta.

Los microscopios de luz visible pueden distinguir franjasseparadas de 1/5000 de milímetro, mientras que los microscopiosde luz ultravioleta distinguen franjas 1/10.000 de milímetro. Losrayos X serían más apropiados para este tipo de aplicación, perodesafortunadamente no existen lentes para estos rayos.

Objetos más pequeños que 800 nm son del mismo orden demagnitud que la longitud de onda de la luz. El límite es infranqueable,a menos que se utilicen longitudes de ondas más pequeñas. Elelectrón, como onda electromagnética se encuentra en ese caso.Por ello, el microscopio electrónico permite alcanzar aumentos muysuperiores.

Debido a la teoría desarrollada en 1927 por el físico francésLouis de Broglie (1892-1987) y el británico George Paget Thomson(1892-1975), quienes trabajando independientemente y empleandométodos diferentes, demostraron que los electrones tienenpropiedades ondulatorias con longitud de onda del orden de los1,65 angstrom (1 angstrom 10

-10 m)

Disponiéndose de una fuente de longitud de ondas tan cortas,se pensó en aplicarla al desarrollo de microscopios más potentes,por lo cual recibió inmediata aplicación. El orden de magnitud de lalongitud de onda asociada a los electrones es el mismo que el delos rayos X, con la ventaja que el haz electrónico se maneja muchomás fácilmente.

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En 1932, Ernest Ruska (1906-1988) y Max Knoll (1897-1969)de Alemania, desarrollaron la teoría y construyeron unmicroscopio electrónico rudimentario. El primero, realmenteutilizable, fue construido en 1937 en la Universidad de Torontopor los físicos canadienses James Hillier (1915-2006) y AlbertPrebus (1913-1997). Aquel instrumento, tenía una amplificaciónde 7000 mientras que el mejor microscopio óptico tieneamplificación de alrededor de 1000. Después de este éxito, Hilliery sus colaboradores diseñaron un instrumento con ampliaciónde 350.000. Los microscopios electrónicos estuvierondisponibles comercialmente a partir de 1939.

LOS RAYOS XLOS RAYOS XLOS RAYOS XLOS RAYOS XLOS RAYOS XHace algunas décadas, los médicos sólo podían mirar en el

interior del cuerpo mediante la disección. Hoy, es posible ver yfotografiar lo que sucede en su interior utilizando las más variadastécnicas invasivas y no invasivas.

En nuestros días, pocas personas dejan de pasar alguna vezdelante de una pantalla de rayos X. Éstos son un medio muy eficazpara la detección y diagnóstico de ciertas enfermedades delhígado o riñones, las pulmonares, el cáncer y las úlceras.

El 8 de noviembre de 1895 se produjo un acontecimiento muyimportante; el que permitiría a los médicos “ver bajo la piel”. Elfísico alemán Wilhelm Roentgen, profesor de la Universidad deWürzburg, estaba utilizando con el tubo de rayos catódicos paraestudiar el paso de la electricidad por el vacío, y descubrió losrayos X. Roentgen, observó que una plancha de cartón recubiertacon una capa de sustancia fluorescente, el platinocianuro de bario,relucía brillantemente cuando la colocaba cerca del tubo de rayoscatódicos. Así, llegó a la conclusión que había descubierto unnuevo tipo de radiación. Por ser desconocida, por no saber suorigen y características, le dio el nombre de radiación X.

Experimentos posteriores demostraron que esas radiacionestenían la propiedad de traspasar los cuerpos y formar imagenesen las placas fotográfica o en una pantalla fluorescente.

Roentgen, se percató de las posibilidades médicas de sudescubrimiento. Hizo una radiografía de su propia mano y vio quelos huesos se destacaban claramente, mientras que los tejidosblandos eran apenas visibles. Concluyó acertadamente que los

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rayos X atraviesan fácilmente los músculos y la grasa, pero lohacían con más dificultad al atravesar los huesos.

En los primeros tiempos, para obtener radiografías de claridadadecuada se necesitaban exposiciones de larga duración; la dosisa que eran sometidos los pacientes les causaba daños visibles,como quemaduras en la piel y posibles daños biológicos comoel cáncer.

Por desconocerse los efectos nocivos de las radiaciones, sele dieron aplicaciones totalmente inconvenientes. Por ejemplo,en los primeros años de la década de 1950 ciertas zapaterías,especialmente las dedicadas a la venta de calzado infantil,practicaban radiografías de los pies dentro de los zapatos quetrataban de vender, como demostración del perfecto ajuste delos mismos.

Los rayos X proporcionan al médico amplia información acercade los huesos fracturados o caries dentales, pero su valor en elexamen de los tejidos blandos es limitado. Sin embargo, el corazónse destaca con claridad, por estar rodeado de un fondo oscuroproducido por los pulmones henchidos de aire. También latuberculosis y el cáncer pueden ser detectados por este método.

Ciertas partes blandas del organismo pueden ser observadassi se preparan con sustancias destinadas a bloquearlos. Estassustancias radio opacas, son ingeridas en forma de líquido,inyectadas o introducidas directamente en el órgano que se deseaexaminar, como por ejemplo, en las vías digestivas, los riñones oel aparato reproductor.

En 1929, el médico alemán Werner Forssmann (1904-1979),decidió sondear el corazón. Hizo pasar un tubo de goma (catéter)a través de la vena del brazo de un cadáver hasta el corazón yluego repitió el experimento en su propia persona. En el segundointento y sin la ayuda de nadie logró su propósito.

Por medio de un espejo que reflejaba la imagen proporcionadapor un aparato de rayos X, Forssmann iba observando el avancedel catéter por el interior de sus venas, hasta que logró introducirloen su aurícula derecha. El experimento de Forssmann marcó el iniciode la técnica del cateterismo, es decir, la introducción de sustanciasradio opacas en el interior del corazón u otros órganos, para luegovisualizar su funcionamiento dinámico mediante los rayos X.

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LOS RADIOISÓTOPOS Y LA MEDICINALOS RADIOISÓTOPOS Y LA MEDICINALOS RADIOISÓTOPOS Y LA MEDICINALOS RADIOISÓTOPOS Y LA MEDICINALOS RADIOISÓTOPOS Y LA MEDICINAEs otra técnica que permite la exploración del cuerpo mediante

el empleo de radiaciones ionizantes. Al paciente se le administrauna pequeña dosis que se concentra en un órgano específico oen un tumor. Los rayos gamma emitidos por el material radioactivopueden ser detectados desde el exterior del cuerpo y así puedeconocerse su distribución.

El yodo radioactivo, por ejemplo, se concentra en la glándulatiroides. Mediante el empleo de un detector adecuado, colocadoen la cercanía del cuello del paciente, se puede producir la imagende dicha glándula.

La historia de las radiaciones nucleares comienza con el físicofrancés Antoine-Henri Becquerel (1852-1905), quien en 1896 sededicaba a la investigación de las sustancias fluorescentes, enparticular el sulfato potásico de uranilo. Quedó fascinado por eldescubrimiento de Roentgen y estaba casi convencido que lasradiaciones emitidas por la fluorescencia incluían los rayos X.

Para comprobarlo envolvió una película fotográfica en papelnegro, le colocó un cristal de sulfato potásico de uranilo encima yexpuso todo a la luz solar. Supuso que la luz solar activaría lafluorescencia del cristal y los rayos X producidos velarían la película.

El científico no pudo finalizar el experimento porque los díassucesivos fueron nubosos. Finalmente, incapaz de esperar revelóla película. Para su sorpresa encontró que estaba fuertementeimpresionada. Concluyó entonces que cualquiera que fuese laradiación que atravesaba el papel, no dependía de la luz solar nide la fluorescencia. Becquerel había descubierto otro tipo deradiaciones: la radioactividad.

Por su trabajo, en 1903, recibió el premio Nobel de física. Enaños sucesivos, su hallazgo tuvo insospechadas consecuencias.

Los estudios realizados por Becquerel fueron continuados porel francés Pierre Curie (1859-1906) y su esposa Marie Curie (1867-1934), nombres asociados a los elementos uranio, polonio y radio.

En particular Marie Curie, acogió favorablemente eldescubrimiento de Becquerel. En 1897 empleó uno de los inventosde su esposo, un preciso medidor de ionización que respondía acorrientes del orden de decenas de nanoamperios, para medir laintensidad las radiaciones ionizantes, conocido ahora como cámarade ionización.

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En 1897, el físico británico Ernest Rutherford (1871-1937),advirtió que las radiaciones emitidas no eran de una sola clase.Algunas eran desviadas por el campo eléctrico en un sentido, alas que llamó partículas alfa, otras se desviaban en sentidocontrario, a las que llamó partículas beta, nombres que aún seconservan. Pronto fueron descubiertas otras que no se desviabanen absoluto, a las que se llamó rayos gamma. Rutherford, en 1911formuló la teoría atómica que permitió comprender mejor lanaturaleza de las radiaciones.

En poco tiempo, la radioactividad fue empleada en hospitalespara el tratamiento del cáncer, y desde 1903 se establecieronfactorías en Francia y en Estados Unidos para preparar la valiosasustancia. Por desgracia, las propiedades nocivas de laradioactividad y los rayos X no fueron comprendidas y muchosde los científicos y médicos murieron de cáncer y otrasenfermedades causadas por la radiación. En Hamburgo, unmonumento recuerda a los 169 radiólogos que murieron porexcesiva exposición a los rayos X.

En 1919, Rutherford utilizó el radio natural para "bombardear"los núcleos de nitrógeno. Descubrió que mediante este procesose obtenía un elemento diferente; el oxígeno, asociado a unaspartículas llamadas protones. De este modo se inició la producciónde isótopos artificiales.

Las aplicaciones clínicas a gran escala de la radiacionesnucleares comenzaron en 1936, cuando el físico norteamericanoJohn Lawrence (1904-1991) produjo artificialmente radionúclidosen un ciclotrón y los usó en el tratamiento de la leucemia. De allíse desarrolló la tecnología de la instrumentación médica nuclear,entre los que se encuentra la gamma cámara. Se creó una nuevadisciplina médica; la medicina nuclear, especialidad donde lassustancias radioactivas son introducidas en el cuerpo con finesterapéuticos, de diagnóstico y de investigación.

Actualmente se emplean los radionúclidos para la radioterapia,especialmente efectiva para el tratamiento del cáncer. Laradioterapia posee una notable eficacia en el tratamiento y controlde las enfermedades neoplásicas, utilizándose para este fin unaextensa variedad de fuentes radioactivas. Recientemente, se estánempleando términos como teleterapia, donde la radiación procedede una fuente situada fuera del cuerpo,mientras que en la

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braditerapia, la fuente se coloca en el interior del cuerpo por unlargo periodo.

La braditerapia es empleada en pacientes que sufren tumoresen el cuello del útero, a estas pacientes se le implantan unos“tubitos” que contienen radio, cesio o iridio radioactivo. Enpacientes con cáncer de próstata se le implantan isótopos deyodo o paladio, que colocados junto al tumor producen su gradualdisminución.

La teleterapia, utiliza radioisótopos muy energéticos queemiten rayos gamma. Son empleados en la bomba de cobalto parael tratamiento del cáncer. Recientemente se está empleando laradioterapia intensiva modulada, procedimiento de irradiación queproduce muchos menos efectos secundarios, siendo adecuadainclusive para el tratamiento de ciertos casos con metástasis.

En la investigación médica, se empleó el hierro radioactivo paraestudiar la ingestión, el almacenamiento y el uso de este elementoen la formación de la hemoglobina de la sangre, proporcionandoasí nuevos métodos de tratamiento para la anemia.

Se emplea el yodo radioactivo para diagnosticar elfuncionamiento de la glándula tiroides y determinar si existedeficiencia o exceso de las hormonas que produce, o para localizartumores, a veces mucho antes de ser percibidos por otrosmétodos.

Para el tratamiento de la enfermedad de la sangre llamadapolicitemia, donde la médula ósea se torna superactiva, se empleael fósforo 32 suministrado en forma de inyección intravenosa,para limitar la producción de glóbulos rojos a un nivel adecuado.

La radiocirugía se logra por medio del "bisturí radioactivo",formado por un aparato que concentra más de doscientos hacesde cobalto en un pequeño punto de 0,2 mm de diámetro. Esempleado para el tratamiento de cáncer del cerebro y otrosórganos.

Sin embargo, las bondades relacionadas con el empleo de estanueva tecnología no se hicieron realidad sino hasta que seaprendió a utilizarla. Becquerel, muy pronto se dio cuenta de losefectos nocivos de la radioactividad. El hecho de llevar un frascoque contenía radio en su bolsillo, le produjo quemaduras;descubrió de esta manera, una importante propiedad de laradioactividad: sus efectos biológicos.

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Le siguieron los esposos Curie, quienes aislaron del mineraluranífero pechblenda dos poderosos elementos radioactivos, elpolonio y el radio. Su laboratorio era un aireado e inhóspito ático,lo cual probablemente salvó a Marie de una muerte tempranaproducida por la inhalación del gas radón.

La fascinación científica de estas sustancias corrió paralela a labúsqueda de aplicaciones prácticas. Los recién descubiertos rayosX tuvieron un fuerte competidor, pues la radioactividad nonecesitaba de equipos para producirla y administrarla.

Llegaron los “éxitos” de la radioterapia y sus pioneros, entreellos Marie Curie, fueron los primeros en experimentar las nefastasconsecuencias retardadas de la radiación.

Lo mismo ocurrió con sus pacientes; algunos de los cualesmurieron debido a las quemaduras producidas por las radiacionesa que fueron expuestos, con la intención de curarlos.

Las sales radioactivas se emplearon profusamente para laproducción de pinturas luminosas. Los obreros que trabajabanen aquellas fábricas sufrieron daños irreparables. Los mineros deSchneeburg, fueron también sus víctimas por manejar este materialsin protección alguna.

El radio se convirtió durante un tiempo en el material de moda.Los médicos prescribían medicinas que contenian radio. Hubotambién una ola de relojes de pulsera y de mesa con dial luminoso.Los números y esferas se pintaban con una mezcla de sulfuro dezinc y radio, que brillaba en la oscuridad.

Las mujeres utilizaban finos pinceles para aplicarse estapintura. Para dar a los pinceles una adecuada suavidad los mojabancon saliva. Pronto caían enfermas de anemia y con las encíassangrantes. La mayoría desarrollaba cáncer del pulmón por laacumulación de radio en su cuerpo.

Los fabricantes de medicamentos radioactivos fueron tambiéncausantes de algunos fallecimientos. Por ejemplo, el “Raditor”, unpreparado de gran aceptación en Norteamérica que contenía radio,se vendía como elemento curativo de ciento sesenta enfermedadesdiferentes. En 1932 causó la muerte a un industrial de Pittsburg,quien tomaba varios frascos al día, el revuelo fue tan grande quelos fabricantes de el “Raditor” tuvieron que abandonar el país.

Investigaciones posteriores demostraron que los materialesradioactivos producen cuatro tipos de radiaciones ionizantes: alfa,

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beta, gamma y neutrones. Su paso a través de los tejidos vivosperjudica su delicada organización. El comportamientofisicoquímico de las células es afectado; gradualmente la célula,en lugar de jugar su papel acostumbrado, altera su actividadmetabólica; el sistema empieza a errar.

Las investigaciones genéticas demuestran, sin lugar a dudas,que para la población globalmente considerada, un ligero aumentoa la exposición de las radiaciones le corresponde un incrementoen la frecuencia de las mutaciones.

Los seres vivos estamos continuamente sometidos a lasradiaciones ionizantes naturales, y últimamente a las artificiales.Los rayos cósmicos, la radiación solar, el uranio y el torio de latierra y ciertos isótopos radioactivos dentro de nuestro propiocuerpo, como el potasio 40, forman parte de las radiacionesnaturales. Siempre han estado con nosotros.

Pero desde 1895, la humanidad ha sido expuesta a radiacionesde las cuales nada sabían las generaciones precedentes. Los rayosX, en medicina y odontología, la concentración de materialesradioactivos, los desechos nucleares provenientes de losreactores, los incidentes y pruebas nucleares, la creación artificialde isótopos radioactivos de alta energía y vida media de miles deaños, han incrementado nuestra exposición a las radiaciones.

Todavía no se sabe exactamente cómo un daño inicial causadopor las radiación en los tejidos vivos desencadena consecuenciasnegativas a largo plazo. En efecto, los daños causados por lasradiaciones pueden clasificarse en inmediatos y diferidos. Losinmediatos se producen algunas semanas después de laexposición y los diferidos después de transcurridos varios años.Los efectos pueden además clasificarse en somáticos y genéticos.Los daños somáticos acontecen en el organismo que ha sidoexpuesto, mientras que los genéticos son transmitidos a losdescendientes.

Los efectos agudos de las radiaciones pueden identificarsefácilmente; generalmente se manifiestan como quemadurassuperficiales. Los efectos somáticos diferidos pueden ser muchomás difíciles de identificar y los genéticos, no pueden seridentificables en absoluto.

Los daños agudos se manifiestan por producir lesiones a losórganos más sensibles a las radiaciones, como los tejidos que

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forman los glóbulos rojos, los genitales, el cristalino, el estómagoe intestinos, y si son muy intensos, en el sistema nervioso central.Dosis más pequeñas, predisponen a una serie de consecuenciasbiológicas, que pueden manifestarse cinco o más años despuéscon la aparición de la leucemia u otro tipo de cáncer.

La radiación natural es inevitable, habíamos aprendido a vivirbiológicamente con ella. Esto no significa que es inofensiva, sinocualquiera que sea su daño, nos permitía existir sin observarefectos nocivos apreciables.

LA FIBRA ÓPTICALA FIBRA ÓPTICALA FIBRA ÓPTICALA FIBRA ÓPTICALA FIBRA ÓPTICAEs un filamento flexible de vidrio o plástico del espesor de un

cabello que tiene la propiedad de transmitir muy eficientemente laluz de uno de sus extremos al otro. Debido a su flexibilidad,permite a la luz "viajar" por trayectorias curvas. Algunos equiposmédicos basan su funcionamiento en la fibra óptica con los sepuede observar las partes internas del cuerpo. Acoplada a sistemasde televisión se pueden ver las vías digestivas superiores, elestómago o las vías digestivas inferiores. El broncoscopio,introducido en los bronquios, permite ver el estado de lospulmones; el citoscopio, introducido por la uretra, permite observarla vejiga; con el peritoneoscopio, introducido en el abdomen, seobservan las paredes intestinales.

La fibra óptica, se empleó a partir de 1970 para sustituir elcable telefónico de cobre. Su funcionamiento resultó tansatisfactorio, que diez años más tarde ya cruzaba el fondo delocéano Atlántico para transmitir señales de comunicación.

Para evitar que la luz "salga" de la fibra, se recubre con unasustancia plástica o con un segundo tipo de vidrio, que tiene lapropiedad de reflejarla. De esta manera, con la luz guiada con lafibra, se pueden iluminar los rincones más insospechados.

Pronto la luz fue modulada, de modo que las ondas sonoraspodían convertirse en luminosidades de amplitud variable, paraluego ser demoduladas y reconvertidas a sonoras.

De esta forma, se fue reemplazando el costoso cable de cobrepor la fibra de vidrio, mucho más económica y abundante, capaz,además, de transmitir más información por segundo.

Actualmente la fibra óptica se emplea para transmitir señalesde televisión y datos a alta velocidad entre computadores,

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los cuales forman parte importante de la World Wide Web, laconocida www.

LOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSSe llama ultrasonido a aquella energía sonora cuya frecuencia

está fuera del alcance del oído humano. Mediante su empleo,pueden obtenerse imágenes estáticas y dinámicas de los órganosblandos, ya sea la imagen del feto y de su válvula mitral enmovimiento, o medirse la velocidad de la sangre en los vasos.Estructuras del orden de un milímetro pueden ser “vistas” si seemplean longitudes de ondas en la región de los megahertz.

Los equipos de ultrasonido, como el sonar, fuerondesarrollados durante la segunda guerra mundial. El sonar, un radarsubmarino, fue empleado para facilitar la navegación subacuáticay para localizar barcos y submarinos enemigos. Luego tuvo granaplicacion en el campo de la medicina.

Los tejidos y estructuras del cuerpo humano son, en general,buenos conductores de las ondas de energía sonora.

Hasta los momentos puede afirmarse que el ultrasonido, conlos niveles de energía empleados para producir imágenes, escompletamente inocuo. Hasta la fecha no se han reportadoefectos nocivos.

LA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTARIZADALA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTARIZADALA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTARIZADALA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTARIZADALA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTARIZADAHace algunas décadas se desarrolló otro instrumento dedicado

a la obtención de imagenes; el tomógrafo axial computarizado(TAC) cuyo funcionamiento se basa en principios físicoscompletamente diferentes.

Algunas de las más importantes limitaciones de las imágenesobtenidas mediante el uso convencional de los rayos X, es que seobtienen imágenes bidimensionales provenientes de cuerpostridimensionales. Los detalles de los órganos blandos son“escondidos” por la alta densidad de los huesos. En la radiografíadel tórax, la densa estructura de los huesos, hace muy difícil obtenerinformación acerca de las regiones internas menos densas.

Una forma de evitar este inconveniente sería tomar variasradiografías con diferentes ángulos. Desde luego, esta soluciónes de antemano descartada porque se sometería al paciente adosis excesivas de radiación.

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A partir de 1972, se desarrolla la tomografía axial computarizada(TAC), cuya tecnología hace que cada fotón de rayos X suministremás información acerca de las estructuras internas. Las imágenesresultantes son "fotografías" tridimencionales de los órganos, sinestar éstos “escondidos” por los huesos circundantes.

Para obtener la imagen tomográfica, se “barre” con rayos X laregión de interés desde varias direcciones. La imagen se construyéa partir de los datos de atenuación obtenidos . La imagen esformada y procesada en forma digital por un sistema decomputación especializado, que es parte integrante del equipo.

La necesidad de desarrollar un instrumento de este tipo surgiócuando se quisieron obtener imágenes del cerebro. La masacerebral presenta muy pequeñas variaciones de densidad y estácontenida en una estructura ósea muy densa, donde la mayorparte de los rayos X son absorbidos. Por lo tanto, la imagenobtenida a partir de radiografías convencionales no aportaprácticamente datos útiles.

El Tomógrafo fue desarrollado por Allen Cormack y GodfreyHounsfield. Por su contribución al diagnóstico, ambosinvestigadores recibieron el Premio Nobel de Medicina en 1969.

Su funcionamiento se basa en la variación de absorción derayos X por los diferentes tejidos. Se observa la atenuación en laintersección de filas y columnas de una matriz, lo que permitedeterminar la característica de absorción del tejido en esa región.

El sistema TAC produce imágenes de los cortes del órganoque se desea estudiar. El auxilio de la computación esdeterminante en la composición de las imágenes, ya que lavelocidad de cálculo es inmensa, prácticamente inabordable porotros métodos. La adquisición y el procesamiento de un grannúmero de datos, le permite a la computadora crear lasimagenes.

LA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEARLA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEARLA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEARLA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEARLA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAROtro instrumento que produce imagenes de los tejidos blandos

es el equipo de Resonancia Magnética Nuclear (RMN o MRI),desarrollado en 1982. El paciente es colocado en el centro deun campo magnético intenso, para luego ser irradiarlo con unimpulso de radiofrecuencia. La frecuencia y duración de laoscilación de los protones, que se produce después del impulso

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de radiofrecuencia, suministra los datos que dan origen a unaimagena construida por una computadora.

ELELELELEL LABORATORIO LABORATORIO LABORATORIO LABORATORIO LABORATORIO CLÍNICOCLÍNICOCLÍNICOCLÍNICOCLÍNICOAl principio, para el diagnóstico se disponía unicamente de la

experiencia, la intuición y los cinco sentidos. Valiéndose del sentidodel gusto, los médicos medievales notaron que la orina de losdiabéticos era dulce.

En 1776, un médico inglés, Mathew Dobson (1725-1784), notóque los residuos que dejaba la orina de los diabéticos al evaporarse,olía y sabía a azúcar. La química aplicada a la medicina la inició otromédico inglés John Rollo (?-1801) quien en 1797 analizó químicamentelos residuos de la orina; y así nació la bioquímica.

El análisis de la sangre fue mejorado por el médico inglés WilliamGowers (1845-1915), quien en 1877, introdujo su hemacitómetro.Consistía en una grilla cuadriculada de 0,1 mm colocada en el fondocóncavo de un portamuestras. Por medio de un microscopio, elobservador podía contar los glóbulos rojos de la sangre contenidosen cada cuadrículo.

Uno de los aparatos más importantes en el laboratorio clínico esla centrífuga, utilizada para mejorar la precisión del contaje. Fuedesarrollada por los suecos Blix y Hedin en 1899 y la llamaronhematocrito. Ella separaba los glóbulos rojos por medio de la fuerzacentrífuga.

La centrífuga es un aparato que al girar "empuja" hacia el exteriorlas partículas suspendidas en el líquido. Cuando esa fuerza es mayorque la gravedad terrestre, las partículas suspendidas sedimentancon mayor rapidez. Los glóbulos rojos de la sangre sedimentanrápidamente. La leche fresca se separa en dos fracciones; la nata,más liviana, se separa de la leche desnatada. Estos tipos deseparaciones, que tendrían lugar espontáneamente por la fuerza,de gravedad son aceleradas por efecto de la fuerza centrífuga.

Las moléculas protéicas, aun con gran tamaño, no son losuficientemente pesadas para separarse por la simple acción de lagravedad, ni tampoco sedimentan con rapidez en una centrífugaordinaria. Para resolver este problema y otros similares, en los añosveinte del siglo pasado el químico sueco Theodor Svedberg (1884 –1971) desarrolló la ultracentrífuga.

La ultracentrifugación, que en cierta medida permite la

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separación de las distintas clases de proteínas, ayudó a determinara partir de la velocidad de sedimentación, sus pesos molecularescon razonable exactitud. Por su contribución al estudio de lassuspensiones, Svedberg recibió el Premio Nobel de química en 1926.

Estos aparatos, de empleo generalizado en los laboratoriosclínicos especializados, giran a velocidades del orden de las 70.000revoluciones por minuto. Produce fuerzas centrífugas hasta 900.000veces más intensas que la fuerza de la gravedad

En 1885, el alemán Hugo von Ziemssen (1829-1902), creó el primerlaboratorio clínico, mientra que a principios de siglo XX, el HospitalGeneral de Massachusetts estableció el primer laboratorio in sito.

La técnica relacionada con el análisis químico clínico fueperfeccionándose hasta tal punto que nuestros médicos, paradiagnosticar, necesitan invariablemente la ayuda especializada deestos laboratorios.

LA INSTRUMENTACIÓN MÉDICALA INSTRUMENTACIÓN MÉDICALA INSTRUMENTACIÓN MÉDICALA INSTRUMENTACIÓN MÉDICALA INSTRUMENTACIÓN MÉDICAY LA ELECTRÓNICAY LA ELECTRÓNICAY LA ELECTRÓNICAY LA ELECTRÓNICAY LA ELECTRÓNICA

El mayor aporte al desarrollo de la instrumentación médica, apartir del siglo XX, lo hicieron indudablemente las innovacioneselectrónicas. Sus aplicaciones en la instrumentación médicacomenzaron con la invención del electrocardiógrafo (ECG),realizado por el danés Wilhem Einthoven (1860-1927) en 1903.Continuaron hasta nuestros días con equipos mucho máscomplejos, automatizados y computarizados.

EL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEn el electrocardiógrafo de Einthoven, el paciente introducía

las dos manos y el pie izquierdo, cada uno en un recipiente quecontenía agua. Un conductor unía el recipiente de la mano derechacon el recipiente de la mano izquierda. El mismo conductor pasabaentre los polos de un magneto y se movía debido a la corrienteque el corazón generaba. Sobre ese conductor se colocó unpequeño espejo que reflejaba en una pared la luz que le incidía.El movimiento del conductor fue registrado por el trazo queproducía la luz sobre la pared. El trazo luminoso equivalía a lo quees hoy un electrocardiograma.

El sistema utilizado por Einthoven, formado por el espejo y elhaz luminoso, era un ingenioso sistema que amplificaba la señal

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cardíaca. Con el desarrollo de los amplificadores electrónicos sepudo eliminar el amplificador de movimiento antes nombrado y semejoraron las características del ECG. En 1940 se incorporó elregistro de papel.

Los amplificadores electrónicos fueron también empleados enconjunto con el electrodo que medía el pH, inventado por MaxCramer en 1906. Con este aporte se pudo cuantificar la acidez oalcalinidad de las soluciones.

En 1924, el alemán Hans Berger desarrolló el electro-encefalógrafo (EEG). Utilizando un galvanómetro muy sensiblelogró medir la corriente proveniente de placas metálicas fijadasen la cabeza del paciente y encontró que era el resultado de laactividad cerebral.

EL ELECTROBISTURÍEL ELECTROBISTURÍEL ELECTROBISTURÍEL ELECTROBISTURÍEL ELECTROBISTURÍEn la transmisión de la señales Morse, empleada en las primeras

comunicaciones inalámbricas, se generaba una chispa entre doselectrodos. Esto dio origen a la unidad de electrocirugía (ESU);el bisturí eléctrico ideado en los Estados Unidos en 1928. Sinembargo, su empleo no se generalizó en los quirófanos por nodisponerse de anestesia no inflamable, hecho ocurrido a mediadosdel siglo XX.

Al elemento de corte, llamado electrodo, se le aplica energíaeléctrica de radiofrecuencia de unos 500 KHz. Con esta frecuenciay suficiente potencia, se cauteriza a medida que se corta.

Con el electrobisturí, las cirugías podían realizarse másrápidamente con menos pérdida de sangre.

LA ANESTESIALA ANESTESIALA ANESTESIALA ANESTESIALA ANESTESIAAnestesia, es una palabra que proviene del griego y significa

insensibilidad. El dolor puede evitarse impidiendo por cualquiermedio la transmisión de los impulsos nerviosos. La pérdida odisminución notable de la sensibilidad puede producirse en formanatural debido a algún padecimiento o en forma artificial. Para lainsensibilidad artificial total (anestesia general) hay que bloquearel paso de los estímulos hacia el cerebro.

Aunque el dolor es una advertencia encaminada a impedir quese produzcan daños excesivos en los seres vivos, constituye unpadecimiento inútil durante las intervenciones quirúrgicas, la

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supresión del dolor se intentó inicialmente por medio de la hipnosisy la acupuntura.

Las investigaciones, en busca de sustancias que alivian el dolor(analgésicos), han sido incesantes. El alcohol es probablementeuna de de las más antigua. Hace más de 2000 años en Grecia,Hipócrates ya recetaba la corteza de sauce para calmar el dolor yla fiebre. Ahora, se sabe que efectivamente esa corteza contienesustancias dotadas de acción analgésica.

En 1876 se extrajo de dicha corteza una sustancia llamadasalicina que tiene la propiedad de aliviar los dolores reumáticos. Underivado de ella, el ácido salicílico, es empleado para calmar la fiebre.Sin embargo, esta sustancia produce graves trastornos gástricos,por lo que en 1899, un químico alemán, Felix Hoffmann intentóreducir el efecto colateral alterando ligeramente su estructuraquímica. Produjo de este modo el ácido acetilsalicílico, al cual llamóaspirina, siendo hoy analgésico benigno más conocido y apreciado.

De los analgésicos potentes, el opio, del griego opos, ya eraconocido hace unos 6000 años. La planta adormidera, de dondeprocede, se usaba para inducir sensaciones placenteras, muchoantes de conocerse plenamente sus propiedades analgésicas.Hipócrates y Galeno escribieron respecto a los usos medicinalesdel opio y Paracelso llamó laúdano a la tintura de opio.

Hasta mediados del siglo XIX, la cirugía no podía progresar porestar limitada por las hemorragias las infecciones y el dolor. Lasuperación de estas dificultades produjo el triunfo de la cirugíamoderna.

Antes de proseguir, vale la pena conocer un poco sobre esemaravilloso descubrimiento que es la anestesia.

Hasta mediados del siglo pasado, los pacientes que debíansometerse a cirugía eran llevados a la mesa de operaciones porrobustos enfermeros, como si se tratara de una sala de torturas,y en realidad lo era.

En la edad media, los cirujanos eran considerados obrerosinferiores. Las operaciones las efectuaban charlatanes, curanderoso barberos, que desarrollaban este arte. En aquel entonces noexistía la anestesia como la conocemos hoy, de manera que elsufrimiento de los pacientes era atroz. Podía disminuir sólo conla rapidez del acto quirúrgico. Por eso, la habilidad de un cirujanose medía por la celeridad en la ejecución de una operación.

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El descubrimiento de los anestésicos se debe a lasobservaciones del químico británico Humphey Davy (1778-1829).Siendo muy joven ingresó al Instituto Neumático de Bristol dondefue destinado al estudio de la acción fisiológica de los gases.

Davy, tenía la peligrosa costumbre de inhalarlos para descubrirsus efectos. En 1800, se topó con el óxido nitroso (gas hilarante).Descubrió que producía una sensación de mareo, embriaguez,volvía a las personas sugestionables, reían o lloraban a medidaque exteriorizaban sus sentimientos. A fin de experimentar susefectos, algunos se sentaban alrededor de un recipiente y loinhalaban, por tal motivo se le llamó gas de la risa.

Davy, informó que bajo su influencia no se experimentabadolor y sugirió su empleo como anestésico. Pronto se convirtióen la novedad del momento. En 1846, fue empleado por JamesJackson, quien lo utilizó por sus propiedades anestésicas.

En los Estados Unidos, a principio de la década de 1840, loscharlatanes llenaban las salas de fiestas con representaciones,Invitaban a subir al escenario a todo aquel que quisiera para hacerleinhalar el gas hilarante.

En muchas casas se celebraban las reuniones del éter (lat. áether,gr. aither, líquido muy volátil de olor pronunciado y muy inflamable,aun a distancia, por sus vapores). Quienes lo inhalaban se sentíanligeramente borrachos y actuaban cómicamente.

Un joven médico, Crawford W. Long (1815-1878), al participaren una de esas reuniones, notó que la gente se magullaba y sedaba golpes sin que después se acordaran. Era como si se hubieranhecho daño mientras dormían. Long se dio cuenta de que el éterpodía emplearse para dormir a los pacientes antes de someterlesa una operación quirúrgica.

Se le presentó la oportunidad al tener que operar a un jovenque tenía dos tumores en la espalda. Mojó una toalla en éter ypidió al joven que lo inhalara, luego extirpó los tumores sin queel paciente sintiera ningún dolor.

También en Estados Unidos, en 1844, un odontologo, el Dr.Horace Wells (1815-1848), que ignoraba los experimentos de Long,le pidió a un colega que le extrajera la muela del juicio despuésde haber inhalado éter. A finales de 1844, Wells empleó óxidonitroso para extraer una muela a un paciente.

En 1846, un antiguo colega de Wells, proyectó un inhalador

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especial y convenció a un cirujano del Massachusetts General Hospitalde Boston para que lo experimentara con uno de sus pacientes.Este cirujano, de nombre John Warren (1778-1856), dos años después,utilizando éter, extirpó un tumor sin producir dolor alguno. Debidoa la notoriedad de Warren, la noticia se publicó en los periódicoesparciéndose por todo el mundo. Al fin, las operaciones podíanefectuarse sin los gritos de dolor de los pacientes.

En 1831, el químico norteamericano Samuel Guthrie (1782-1848),descubrió el cloroformo. En 1847, el obstetra escocés James YoungSimpson (1811-1870), descubrió sus propiedades anestésicas y loadoptó inmediatamente. Fue el primero en administrarlo a lasparturientas. Sin embargo, había predicadores que condenaban estapráctica, pues, según ellos, cuando Dios expulsó a Eva del Edén ledijo que pariría con dolor.

Los predicadores, todos hombres, consideraban que el dolordel parto era como un castigo divino merecido por las mujeres.Hasta que Simpson, en 1853, aplicó el cloroformo a la reina Victoriaen ocasión del nacimiento de su séptimo hijo. Los predicadores sevieron entonces obligados a escoger entre Dios y la soberana;escogieron ésta última, con lo cual cesaron las objeciones.

La cocaína, un alcaloide obtenido de las hojas del arbusto de lacoca, era masticada por los incas para suprimir las sensaciones dedolor y cansancio. Los europeos descubrieron que era fuertementeadictiva y peligrosa. Uno de los primeros en estudiarla fue el médicoaustríaco Sigmund Freud (1856-1939), quien transmitió susobservaciones a su colega Carl Koller (1857-1944). Koller la utilizócomo anestésico local (anulación del dolor en un área del cuerposin producir inconsciencia). En 1884, después de haberexperimentado con animales, llevó a cabo una intervención ocularutilizando anestesia local.

Hoy en día, los cirujanos disponen de una gran variedad desustancias anestésicas y equipos para suministrarla.

EL LASEREL LASEREL LASEREL LASEREL LASEREn 1953, el norteamericano Charles.H.Townes (1915-?) señaló

que el principio del máser, para la producción de un rayo demicroondas, intenso, coherente y monocromático, podía aplicarsea cualquier longitud de onda, inclusive la luz visible.

En 1958,Townes, acompañado de A.L.Schawlow (1921-1999),

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publicaron el estudio teórico donde demostraban la factibilidadde funcionamiento de lo que llamaron láser (Light Amplification byStimulated Emission of Radiation). Dos años después del enunciadoteórico, el físico norteamericano Theodore. H. Maiman (1927-2007)construía el primer láser. Planchas de acero perforadas, fotografíasen tres dimensiones, microsoldaduras y otras innovaciones estánasociadas al nombre mágico del láser.

Maiman diseñó un cilindro de rubí con sus extremos paraleloscuidadosamente pulidos, a los que cubrió con una película de plata.Excitaba el cilindro con una fuente luminosa destellante hasta queemitía un rayo de luz roja. La luz coherente así producida podíaconcentrarse en un punto tan pequeño que la temperatura podíasuperar la de la superficie del sol.

Este hecho, llevó a los científicos a pensar que la fusión nucleardel hidrógeno, una de las grandes esperanzas para cubrir lasnecesidades de energía de nuestra civilización, podría relizarse.El hidrógeno, combustible para la fusión, es materia prima casiinagotable, el agua contiene dos átomos de hidrógeno en susmoléculas.

Para que el proceso de fusión se desencadene hacen faltatemperaturas del orden del millón de grados. Uno de los procesosensayados para producir temperaturas de este orden fue el empleode láseres sincronizados y dirigidos hacia el punto donde se hallarael hidrógeno. De llegar a materializarse esto, sería uno de losdescubrimientos más importantes de la historia.

El disco láser, también conocido como disco compacto o CD/DVD, se desarrolló en 1972. En ellos, la información leída por rayosláser es almacenada en forma digital por medio de “huequecillosmicroscópicos”. La capacidad de almacenamiento de estos discoses fabulosa y la reproducción de la información es exacta réplicadel original. Cada CD, cuyo costo es de algunos céntimos de dólar,tiene la capacidad de almacenar Gbytes de información.

Otra aplicación relevante del laser la produjo IBM, cuando en1982 comercializó una impresora láser capaz de imprimir unas 30líneas por segundo. El CD y la impresora láser invadieron casitodod las oficinas y hogares de muchos paises

Cuando la luz solar se enfoca sobre un papel mediante unalente, éste arde; de la misma manera se utilizan los rayos láseren medicina.

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El bisturí láser, que al cortar cauteriza simultaneamente,permite intervenciones quirúrgicas de altísima precisión. Acopladoa la fibra óptica, es posible trasladar su acción a lugaresinaccesibles. Enfocado sobre una diminuta área de tejido coagulalas células, al igual que la punta incandescente de una aguja.

Se emplea principalmente en cirugía, oftalmología yrehabilitación. En oftalmología para “soldar” las áreas posterioresde la retina desprendida de la capa coridea.

EL RESPIRADOR ARTIFICIALEL RESPIRADOR ARTIFICIALEL RESPIRADOR ARTIFICIALEL RESPIRADOR ARTIFICIALEL RESPIRADOR ARTIFICIALEl empleo de los respiradores artificiales comienza con Eugene

Woillez, quien en 1876 desarrollo una máquina operadamanualmente a la que llamó espiróforo, ideado para suplir lasdeficiencias respiratorias graves.

Para auxiliar los pacientes con parálisis pulmonar, causada por lapoliomielitis, P. Drinker, en 1928, introdujo el pulmón artificial o pulmónde acero accionado con energía eléctrica. El paciente era introducidoen un cilindro rígido metálico, de modo que sólo la cabeza asomabaal exterior, aplicandósele cíclicamente presión negativa.

Cuando la presión es menor que la atmosférica, el pecho delenfermo se expande e inspira el aire; cuando la presión vuelve alnivel atmosférico, el pecho se contrae y expulsa el aire de lospulmones.

Otro mecanismo respiratorio menos complicado, llamadoventilador de presión positiva intermitente, fue desarrollado por H.Lasser y B. Ibsen. Se utilizó masivamente debido a la devastadoraepidemia de poliomielitis que se produjo en Copenhague en 1952.Este aparato consistía en un cilindro de aire comprimido, un tubode goma, una bolsa de goma semirígida, un absorbente deanhídrido carbónico y una válvula. Para emplearlo, se hacía unaincisión en la parte superior de la tráquea del paciente donde seinsertaba el tubo. Un estudiante de medicina se dedicaba a apretarla bolsa a un ritmo semejante al de la respiración normal. Despuésdel experimento de Copenhague, se construyeron otras versionesperfeccionadas y accionadas por electricidad.

EL DESFIBRILADOREL DESFIBRILADOREL DESFIBRILADOREL DESFIBRILADOREL DESFIBRILADORMillones de personas mueren cada año debido a los paros

cardíacos, sin embargo, si se les pudiere auxiliar con un

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desfibrilador antes de un minuto, el 80% se salvaría. La fibrilaciónes una alteración del funcionamiento del corazón.

Se presenta cuando se pierde el sincronismo natural de lascontracciones de las aurículas y los ventrículos. En su lugar seproducen contracciones rápidas e irregulares, como una especiede temblor.

Durante la fibrilación desaparece casi totalmente la circulación,puesto que el corazón no produce latidos potentes y eficaces.La fibrilación ventricular es una alteración generalmente mortalque usualmente se manifiesta con la trombosis coronaria.

El desfibrilador, es un instrumento que induce ladespolarización sostenida de las células del miocardio con el finde detener su fibrilación.

Las aplicaciones clínicas del desfibrilador comenzaron en 1956cuando el cardiólogo de Harvard, Paul M. Zoll (1911-1999) y un grupode investigadores tuvieron éxito al desfibrilar el corazón de unpaciente que había sufrido un ataque cardíaco. Detuvieron lafibrilación al aplicarle una corriente alterna a través del pecho.

La efectividad y confiabilidad del instrumento fue incrementadapor médico lituano Bernard Lown (1921-?) En el desfibrilador deLown, un condensador se descarga a través del pecho del pacientey le suministra corriente continua del orden de los amperios. Si ladescarga se aplica directamente sobre la superficie del corazón,la corriente requerida es mucho menor.

EL MARCAPASOSEL MARCAPASOSEL MARCAPASOSEL MARCAPASOSEL MARCAPASOSEl corazón late con regularidad, se acelera cuando el esfuerzo

o las emociones incrementan la demanda de oxígeno, o entra enun ritmo más lento cuando el cuerpo está en reposo.

Desde la década de 1920 se sabe que un grupo de célulalocalizadas en el corazón inician su latido. Ese grupo de célulasforman el nodo sinoauricular, llamado en inglés pacemaker y enespañol marcapasos. Cuando las células se alteran o dañan, elcorazón puede latir muy despacio o muy aprisa. Si no reanuda suritmo normal, a pesar de los medicamentos, es necesario recurriral marcapasos artificial.

En 1957, el cirujano norteamericano Clarence Walton Lillehei(1918-1999), “marcó el paso de un corazón”. Durante el transcursode una operación, hizo que el corazón del paciente latiera guiado

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por estímulos externos. Le aplicó impulsos eléctricos con periodosemejante a los impulsos naturales. Pero este marcapasos sólotenía aplicación durante las intervenciones.

En 1960, el cirujano norteamericano William Chardack (1919-2006) y el ingeniero Wilson Greatbatch (1919-?), desarrollaron elmarcapaso implantable. Consiste en una minúscula unidadgeneradora de impulsos alimentada por pilas, que se instala bajola pared abdominal o en la parte delantera de la axila. Unosconductores eléctricos se introducen por el lado izquierdo deltórax y se instalan en el interior del tabique ventricular.

El marcapasos fue el primer “repuesto” del corazón; lesiguieron las válvulas y las arterias.

EL RIÑÓN ARTIFICIALEL RIÑÓN ARTIFICIALEL RIÑÓN ARTIFICIALEL RIÑÓN ARTIFICIALEL RIÑÓN ARTIFICIALLos procesos orgánicos terminan produciendo desechos

venenosos. Cada célula genera productos residuales que seacumulan en el flujo sanguíneo, y a menos que sean eliminados,trastornan el equilibrio químico del cuerpo. La eliminación dependede los riñones que filtran unos 170 litros de sangre diariamente.

Si por efecto de alguna dolencia disminuye la capacidad delriñón para excretar agua y urea, estos productos se acumulanexcesivamente en la sangre dando lugar a una enfermedad fatalllamada uremia.

En 1945, con el invento del riñón artificial por el norteamericanode origen holandés Willem J.Kolff (1910-?), se inicia la era de losórganos artificiales. Con este invento, se puede mantener con vidaa aquellas personas cuyos riñones dejan de cumplir su función.

En 1941, Kolff, observó que si sumergía un saquito de celofánlleno de sangre en una solución de azúcar, sal y agua, el agua y laurea de la sangre pasaban a la solución. El fenómeno físico queexplica el paso de la urea a través del celofán se llama diálisis, y enel caso de la sangre, hemodiálisis. Mientras que el agua se filtradebido a un proceso llamado ósmosis.

Todos los riñones artificiales se basan en el experimento deKolff. Consisten esencialmente en un aparato que bombea la sangredel enfermo para que se deslice lentamente por una membranade celofán de gran superficie.

La membrana está en contacto con un gran volumen desolución acuosa de azúcar y sal en la cual se recogen los

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desechos. Después de dializada, la sangre es regresada altorrente circulatorio.

En 1960, el riñón artificial fue aplicado por primera vez en formacontinua por el cirujano norteamericano Belding Scribner (1921-2003), para purificar la sangre de pacientes con insuficiencia renalcrónica.

OTROS DESARROLLOSOTROS DESARROLLOSOTROS DESARROLLOSOTROS DESARROLLOSOTROS DESARROLLOSEn los espectrofotómetros, un haz de luz de longitud de onda

progresivamente creciente pasa a través de una solución y seregistra la luz absorbida en función de su longitud de onda. Lamagnitud de la absorción varía, alcanzando generalmente valoresmáximos para ciertas longitudes de onda. El resultado es unregistro con picos de absorción característicos, llamado espectrode absorción. Estos aparatos se utilizan para el análisis deestructuras de un determinado grupo atómico, el cual posee supropio pico de compuestos complejos.

Los análisis cromatográficos, han permitido valorar conexactitud el contenido de aminoácidos de diversas proteínas. Seha determinado, por ejemplo, que la molécula de una proteína dela sangre, denominada albúmina sérica, contiene 526 aminoácidosde 18 tipos distintos, constituyendo una proteína con pesomolecular de aproximadamente 69.000 .

La técnica de electroforesis, gracias a la diferencia de cargaeléctrica neta existente en las diversas moléculas, utiliza la corrienteeléctrica para separar las proteínas . Esta técnica fue desarrolladapor el bioquímico sueco Arne Tiselius (1902-1971), quien en 1948,recibió el premio Nobel por esta valiosa contribución.

La electroforesis sobre papel, utiliza la corriente eléctrica paratransportar las moléculas a través de una tira de papel de filtro,permitiendo, por ejemplo, la separación de los fragmentos de cadahemoglobina.

En un laboratorio moderno de biología molecular, la lupa hasido sustituida por instrumentos como contadores de centelleo,de resonancia magnética nuclear, espectrómetros de masas,espectroscopia Raman con láser y muchos otros. Estosinstrumentos permiten “ver” las moléculas, los átomos y susenlaces, y han servido para conocer los secretos más escondidosde la materia.

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A finales de los años veinte del siglo pasado, se desarrolló uninstrumento basado en el hecho de que los núcleos atómicosposeen propiedades magnéticas. Las moléculas expuestas a uncampo magnético de gran intensidad absorben ciertasradiofrecuencias. A partir de tal absorción, denominada resonanciamagnética nuclear (RMN), puede obtenerse información sobre losenlaces atómicos. En particular, pueden localizar la posición delos pequeños átomos de hidrógeno en el interior de una molécula.

Las técnicas de RMN fueron elaboradas en 1946 por dosequipos de investigadores independientes, uno bajo la direccióndel ingeniero electricista Edward M. Purcell (1912-1997), el otro,dirigido por el físico suizo-americano Felix Bloch (1905-1983),quienes compartieron el premio Nobel de Física en 1952.

En 1928, el físico hindú Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970), halló que la luz dispersada por las moléculas en una soluciónera alterada en su longitud de onda. De la naturaleza de la alteraciónpodía deducirse la estructura de la molécula. Por estedescubrimiento, conocido como efecto Raman, dicho investigadorrecibió el premio Nobel de Física en el año 1930. A las longitudesde ondas "alteradas" se les denomina espectro Raman de la molécula.

La mayor parte de los elementos químicos biológicamentemás importantes, poseen isótopos inestables que pueden serutilizados como trazadores. Estos isótopos son el hidrógeno 2(deuterio), el carbono 13, el nitrógeno 15 y el oxígeno 18. Elhidrógeno 2, por ejemplo, podría utilizarse como trazador en unamolécula que lo contenga.

Si dicha molécula es administrada al organismo, la presenciade hidrógeno pesado puede ser detectada mediante elespectrógrafo de masas, en virtud de su mayor peso. De estemodo puede seguirse el “camino y destino” del átomo dehidrógeno, que en este caso ha sido utilizado como trazador.

EL COMPUTADOREL COMPUTADOREL COMPUTADOREL COMPUTADOREL COMPUTADORNo es posible hablar de la instrumentación médica sin incluir

esa maravilla tecnológica que, desde la segunda mitad del sigloXX, se ha ganado un espacio en nuestro hogar y en todos loscampos del saber.

Desde que el hombre empezó a utilizar la aritmética, habuscado instrumentos que lo ayudaran a manejar los números.

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Un ejemplo antiguo e ingenioso es el ábaco. Este instrumentoprimitivo fue desarrollado entre los años 4000 y 3000 a de J.C.Consistía en un marco rectangular donde se colocaban varios hilosparalelos sobre los cuales se deslizaban unas “bolitas”. Losromanos llamaron a estas bolitas calculi, del plural de calculus,que en latín significa piedra pequeña; raíz latina dio origen a lapalabra cálculo.

La primera máquina de calcular exitosa fue construida por elmatemático, físico y filósofo francés Blaise Pascal (1623-1662).Dotado de gran precocidad, a los dieciocho años inventó unamáquina de calcular, la cual todavía se conserva en buen estadode funcionamiento.

El filósofo y matemático alemán Gottfried W. Leibniz (1647-1716), conocido por descubrir al mismo tiempo que Isaac Newton(1643-1727) el cálculo infinitesimal, construyó una máquina decalcular alrededor de 1671, la cual no solamente sumaba y restaba,sino también multiplicaba. Muchos de los principios de estamáquina fueron adoptados en las calculadoras que seconstruyeron posteriormente.

La calculadora de Leibniz debía ser operada paso a paso, esdecir, cada operación aritmética debía ser iniciada y seguidamanualmente por el operador, lo que reducía el número deoperaciones a unas 500 diarias.

El científico y matemático inglés Charles Babbage (1792-1871),intentó mecanizar el procedimiento y eliminar el operador. Diseñóuna máquina que podía realizar una secuencia de operaciones sinintervención humana y sin pararse hasta concluir la tarea. Su ideafue financiada por el gobierno inglés, pero no la pudo llevar atérmino debido a la limitada tecnología de su época. Sin embargo,le corresponde a este científico el mérito de haber establecidolos principios básicos de las máquinas digitales modernas.

En 1925, el ingeniero norteamericano Vannevar Bush (1890-1974) y su equipo, construyeron una máquina capaz de resolverecuaciones diferenciales. Aunque utilizaba interruptoresmecánicos, esta máquina es considerada precursora de lacomputación moderna.

El primer computador electrónico, que contenía 19.000 tubosde vacío, pesaba 30 toneladas, consumía 150 kilovatios y ocupaba400 metros cuadrados, se construyó durante la segunda guerra

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mundial en la Universidad de Pennsylvania. Fue llamado ENIAC deElectronic Numerical Integrator and Computer. ENIAC, dejo defuncionar en 1955, sólo después de doce años de vida, pero dejóuna descendencia sorprendentemente numerosa y sofisticada.

El computador electrónico digital, UNIVAC, de la “UniversalAutomatic Computer”, fue puesto en funcionamiento en 1952 enlos Estados Unidos para analizar los resultados de una elecciónpresidencial. UNIVAC, fue el primer computador digital empleadocon fines comerciales.

La teoría de los computadores digitales modernos se basa enla tesis doctoral de un joven ingeniero americano, Claude ElwoodShannon (1916-2001), quien en 1938 expuso que la lógicadeductiva, en la forma conocida como álgebra de Boole, podía sertratada mediante un sistema binario.

El álgebra de Boole, se refiere a un sistema de lógica simbólicaque fue publicada en 1854 por el matemático inglés George Boole(1815-1864) en el libro titulado Una investigación de las leyes delpensamiento. El álgebra de Boole, ha adquirido una importancia encomputación e ingeniería de comunicaciones, constituyendo loque conocemos hoy como la teoría de la información.

Por supuesto, el computador moderno es completamenteautomático, su velocidad e "inmunidad al cansancio" le permiterealizar tareas muy pesadas, aunque no necesariamente demasiadodifíciles para el cerebro humano. Nuevas investigaciones intentanproducir máquinas que imitan la mente humana, se desarrolla lainteligencia artificial y sistemas capaces de aprender “recordando”experiencias.

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Origen de los BiopotencialesOrigen de los BiopotencialesOrigen de los BiopotencialesOrigen de los BiopotencialesOrigen de los Biopotenciales

CAPÍTULO 2

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

TTTTTodos los sistemas vivos, desde los organismos unicelulareshasta los complejos multicelulares, incluido el ser humano, secaracterizan por su gran organización. Están formados por moléculasbiológicas específicas, como las proteínas, lípidos, ácidos nucleicos ycarbohidratos. Todas ellas en suspención en un sistema acuoso deelectrólitos de sodio, potasio y cloro y pequeñas moléculas solublescomo el dióxido de carbono, oxígeno, aminoácidos, glucosa, etc.

A la sustancia constitutiva de los seres vivos se le conoce como"protoplasma" que es esencialmente idéntica en todos las células.Sólo existen pequeñas diferencias en el tipo y número de susproteínas y ácidos nucleicos, que son el origen de la diversidad de lapoblación de seres vivos, su especialización y evolución. El líquidoacuoso que "baña" todas las células, que le suministra todas lassustancias necesarias para el metabolismo y recibe los productosde desecho, es el líquido extracelular.

En los organismos multicelulares, las células están altamenteespecializadas, de ese modo son más eficientes en el desempeñode sus funciones. Actúan como parte de conjuntos que formantejidos, órganos o sistemas.

Los aparatos y sistemas que integran las organismosmulticelulares son esencialmente los siguientes:

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Instrumentación Biomédica / Origen de los Biopotenciales

El aparato digestivo: Formado principalmente por las víasgastrointestinales, también incluye el hígado, el páncreas, y lasglándulas salivares. Sus funciones son la ingestión, digestión,absorción de los alimentos y la defecación .

El aparato respiratorio: Integrado por las vías respiratorias y lospulmones. En ellos se efectúa el intercambio de gases; la absorciónde oxígeno y la excreción de dióxido de carbono.

El aparato circulatorio: El corazón, los vasos sanguíneos y elsistema linfático, son los encargados de suministrar a las células elfluido extracelular. En este fluido, se encuentran las sustanciasnutritivas y las materias de desecho originadas por el metabolismocelular. Los líquidos impulsados por el aparato circulatorio tambiénintervienen en la inmunidad. La inmunidad es la prevención deinfecciones debidas a la invasión del fluido extracelular por agentespatógenos o por agentes tóxicos exógenos.

El aparato excretor: Los riñones, las vías urinarias, así como lasglándulas sudoríferas, conservan el estado dinámico del fluidoextracelular, eliminan los desechos y regulan su volumen.

El sistema nervioso lo integran un conjunto de células muyespecializadas que constituyen el sistema nervioso central, los nerviosdel sistema autónomo y periférico y las innervaciones de los sentidos.Las neuronas, células fundamentales del sistema nervioso, captan,transmiten y procesan estímulos de los medios externos e internose inervan los sentidos. En coordinación con varias hormonasproducidas por las glándulas endocrinas, el sistema nervioso controlay regula la actividad los organismos vivos.

El sistema musculosquelético está compuesto por los músculos,los tendones y los huesos. Su función es efectuar los movimientosnecesarios para la vida. Los músculos, con su movimiento, ayudanal corazón en el bombeo de la sangre y al movimiento de fluidosextracelulares

El integumento: La piel y tejidos subcutáneos conservan el fluidoextracelular. Evitan la pérdida de fluidos, protegen de la "invasión"de agentes patógenos y conservan la temperatura del cuerpo.

La célula está compuesta por cuatro partes independientes peroaltamente integradas: la membrana, el citoplasma, el nucleoplasma ylos organelos semiautónomos. La membrana rodea y separa lasdiversas partes de la célula, a la vez que permite su integración.Todas las membranas celulares tienen la misma composición

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estructural y bioquímica. Esencialmente, son capas dobles deproteínas que le confieren su característica de selección osemipermeabilidad y control de todos los materiales que "entran ysalen" de de la célula.El funcionamiento del cuerpo humano es lasuma del metabolismo de los 70 billones de células que lo integran.

Los procesos bioquímicos de la célula se realizan en una soluciónacuosa de electrolítos, fundamentalmente Na+, CI- y K+. Dicha soluciónacuosa, es el ingrediente básico de la materia fundamental de la célulay el elemento primordial del fluido intracelular, además de otrossolutos en forma de partículas de tipo iónico y molecular.

La actividad esencial de la membrana, es establecer un equilibriodinámico bioquímico tendiente a conservar la concentración demetabolitos. La incapacidad para mantener esta concentración, poneen riesgo la vida de la célula.

NATURALEZA DEL IMPULSO NERVIOSONATURALEZA DEL IMPULSO NERVIOSONATURALEZA DEL IMPULSO NERVIOSONATURALEZA DEL IMPULSO NERVIOSONATURALEZA DEL IMPULSO NERVIOSOEl descubrimiento de que las células nerviosas tienen la capacidad

de estimular los músculos y ocasionar su contracción, ocurrió poraccidente cuando el fisiólogo italiano Luigi Galvani (1737 –1798)experimentaba con los músculos de ancas de ranas. El científico,quería averiguar si los choques eléctricos que hacían sacudir los"músculos vivos" podían hacerlo también con los "músculos muertos".

Galvani, había disecado una rana que se encontraba en la cercaníade una máquina eléctrica (la botella de Leyden). Uno de susayudantes, aplicó la punta de un bisturí a los nervios crurales de larana en el preciso momento en que la máquina producía una chispa.Observó entonces, que todos los músculos experimentabanincontenibles sacudidas espasmódicas.

Otro ayudante observó que el fenómeno ocurría sólo cuando lamáquina eléctrica producía la chispa. Este hecho entusiasmó alcientífico, quien para aclarar el oscuro fenómeno repitió elexperimento. Notó que era de naturaleza eléctrica y que efectivamentese repetía.

Años antes, Benjamín Franklin (1706-1790), en 1752, habíademostrado que el rayo también era de naturaleza eléctrica. Galvani,se preguntaba si las "dos electricidades" eran iguales, por lo quedecidió comprobar si los músculos, sometidos a los efectos de unatormenta eléctrica, experimentaban las mismas contracciones.

Para verificar este hecho, colocó los músculos de rana en unos

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ganchos de latón en el exterior de su ventana, de manera queestuvieran en contacto con la reja y esperó a que se desatara unatormenta. Al mismo tiempo que se producía un rayo, todos losmúsculos sufrían contracciones violentas, como si quisieran avisarel trueno.

Otras observaciones demostraban que en algunas ocasiones,inexplicablemente, los espasmos se originaban en ausencia detormenta. Galvani, descubrió que estos espasmos se producíancuando el músculo entraba en contacto simultáneamente con dosmetales diferentes; como el cobre y el zinc. Tal observación, lo llevóa inferir que la electricidad que intervenía en el fenómeno se originabaen el músculo mismo, por lo cual la llamó electricidad animal.

Utilizando el músculo como indicador visible, Galvani concluyóacertadamente que los nervios podían ser estimulados por laelectricidad. Este anuncio, se produjo precisamente cuando muchosinvestigadores estaban intrigados por los efectos de la electricidadestática sobre los sistemas biológicos.

En esa época, las ciencias naturales y exactas no estaban disociadasde la filosofía, y el Galvanismo (obtención de movimiento de animalesvivos o muertos, mediante la estimulación por medio de la corrienteeléctrica), era causa de discusiones en los medios científicos. De lamisma forma que en la Edad Media se debatía sobre la alquimia, ocomo en la actualidad se discute sobre los alcances de la clonación.

En Londres, se hacían lecturas públicas sobre los usos medicinalesde la electricidad. Se realizaron experimentos en presencia del reyJorge III y su familia, haciendo saltar ranas como si estuviesen vivas;se intentaron curar sabañones mediante descargas eléctricas y sediscutían diversas doctrinas filosóficas, entre otras, la naturaleza delprincipio vital y la posibilidad de que se llegase a descubrir paraconferirlo a la materia inerte.

En 1818, un médico de Glagow, realizó un experimento públicocon el cadáver de un asesino, cuya sentencia fue la horca y la entregainmediata de su cuerpo a los anatomistas. Después de declaradomuerto por el verdugo, fue llevado al paraninfo de la Universidad deGlasgow donde los anatomistas intervenían los cadáveres en plenavista pública. Apenas llegó el cuerpo, se realizaron algunas diseccionesen busca de los nervios donde se haría la estimulación eléctrica. Unapierna reaccionó con tanta fuerza que casi derriba a uno de losasistentes. Cuando se conectaron los cables al nervio frénico y al

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diafragma, el éxito fue incomparable. "El aliento comenzó de inmediato.El pecho respiraba agitadamente y bajaba, el vientre sobresalía y sedeshinchaba de nuevo...", escribió un científico presente.

Las observaciones de Galvani, relacionadas con la contracciónmuscular en presencia de metales diferentes en un medio húmedo,intrigaron al físico italiano Alessandro Volta (1745-1827). Despuésde realizar numerosas experimentaciones, Volta concluyóacertadamente que la electricidad se originaba en los metales. Talconclusión lo llevó a inventar la pila, proceso mediante el cual setransforma energía química en eléctrica.

Algunos años más tarde, el fisiólogo alemán Hermann vonHolmholtz (1821-1894) supuso que el impulso nervioso se propagabacomo lo hace la corriente eléctrica por un conductor.

Con la finalidad de verificar esta hipótesis, sabiendo que la velocidadde propagación de la corriente a lo largo de un conductor es de unos300.000 Km/seg, realizó un experimento destinado a medir la velocidaddel impulso nervioso a lo largo de un nervio. Después de variasobservaciones comprobó que la velocidad era unos dos millones ymedio de veces más lenta. Investigaciones posteriores demostraronque la máxima velocidad de propagación, registrada en algunos nerviosde mamíferos, alcanza sólo 120 m/seg.

Los resultados experimentales de Holmholtz, tan alejados de loesperado, obligaban a buscar otras formas de propagación. Un indicioaportado por nuevas investigaciones, se manifestaba en el hechoque la velocidad de conducción nerviosa, lo mismo que en lasreacciones químicas, dependía de la temperatura, lo cual sugería quela propagación podía ser de naturaleza electroquímica. Un aumentode temperatura causa la disminución de la resistencia eléctrica delos tejidos, con el consiguiente incremento de la corriente.

Aquí cabe establecer la diferencia entre corriente eléctrica, comoflujo de electrones, y corriente iónica. La corriente eléctrica que fluyepor un conductor está formada por electrones libres cuyo movimientose propaga a la velocidad de la luz; mientras que la corriente iónicaestá formada por partículas o iones, que no son más que átomos ogrupos de átomos cargados eléctricamente, que se propagan porun electrolito a velocidades mucho menores.

Cuando la corriente de electrones fluye por conductores osemiconductores, su paso no altera su constitución, mientras queel flujo de la corriente iónica puede producir reacciones químicas y

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transporte de materia. La corriente que fluye por los tejidosbiológicos es corriente iónica.

Otra característica de la propagación iónica en las fibrasnerviosas, es que a pesar de ser el nervio un mal conductor deelectricidad, el impulso que lo recorre no se atenúa. Esta propiedad,que intrigó por mucho tiempo a los investigadores, fue comprobadapor medio del siguiente experimento:

Si se coloca un electrodo fuera de la neurona y otro en suinterior, se detecta una diferencia de potencial de unos 70 mV. Siendola parte interna negativa con respecto a la externa. A este potencialse le llama potencial de reposo.

Cuando el axón se estimula registra una breve inversión de polaridad;la parte interna se vuelve positiva respecto a la externa. A la nuevapolaridad se le llama potencial de acción. La variación de voltaje sobre lamembrana en función del tiempo se representa en la figura 2-1.

Investigaciones posteriores comprobaron que la propagacióndel impulso nervioso es el resultado del movimiento de iones através de la membrana que cubre el axón de la célula.

El potencial de acción es el que "viaja" a lo largo de la membranaa la velocidad de algunos milímetros por segundo en los nerviosno mielinizados y decenas de metros por segundo en losmielinizados.

Figura 2.1. Potencial de membrana

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Alvaro Tucci R.

El mecanismo mediante el cual se efectúa la conducción delimpulso eléctrico en la célula nerviosa no mielinizada se representaen la figura 2.2.

La propagación del impulso nervioso se efectúa por medio deldesplazamiento de la inversión transitoria de la polaridad a lo largodel axón. Por tal motivo, su propagación no sufre atenuación.

Figura 2.2. Propagación del Impulso

El segmento del axón que queda "atrás de la inversión" se vuelverefractario durante un breve periodo, es decir, no puede serreexitado, lo cual impide que el potencial de acción "retroceda".

Esto hecho es comprobado por medio del experimento mostradoen la figura 2.3, donde se mide el cambio de potencial entre la parteinterna y externa de un axón, utilizando dos microelectrodos y unmilivoltímetro.

Un extremo del microelectrodo se coloca dentro del axón yotro en su superficie. La inversión transitoria de polaridad dentrodel axón es representada por el rectángulo que viaja hacia laderecha. La figura 2.3a. muestra la condición en la cual la inversiónno ha alcanzado la región donde están los electrodos. Lasuperficie es positiva con respecto a la parte interna y el potencialde reposo, indicado por el milivoltímetro, es de unos -70 mv.

La figura 2.3b. indica el momento en que el impulso nerviosoalcanza la región donde están los electrodos. En ese instante seproduce inversión de polaridad, el milivoltímetro indica que latensión es positiva. El potencial de acción es de unos +50 mv.

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Figura 2.3. Detección del impulso nervioso e inversión de polaridad

En la figura 2.3c. se observa la condición en la cual el impulsonervioso se aleja de los electrodos. El potencial de la membrana serestaura y adquiere de nuevo el potencial de reposo.

La curva de la figura 2.3d indica la forma que ha variado el voltajeentre los electrodos debido al desplazamiento del potencial deacción a lo largo de la fibra nerviosa.

LA MEMBRANA CELULARLA MEMBRANA CELULARLA MEMBRANA CELULARLA MEMBRANA CELULARLA MEMBRANA CELULARLa membrana celular es la envoltura de unos 80 Angstroms de

espesor que rodea la célula. A través de ella se efectúan losintercambios con el medio que la rodea. Regula la conducción delas sustancias en ambos sentidos. Permite el paso de los elementosnecesarios provenientes del exterior y a través de ella se eliminanlos desechos producidos por su metabolismo.

La diferencia de potencial sobre la membrana celular se debe asu permeabilidad selectiva relacionada con ciertos iones. En estadode reposo, la membrana de la mayoría de las células no permiteque los iones sodio (Na

+) pasen a través de ella, pero es hasta

cierto punto permeable a los iones potasio (K+).

Esta propiedad, única de la membrana celular, hace que seestablezca una diferencia iónica entre la composición del líquido

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Alvaro Tucci R.

intracelular y extracelular, lo cual crea sobre ella una diferencia depotencial. Cuando la parte interna es negativa respecto a la externa,estamos en presencia del potencial de reposo. Su magnitud varía deun tejido a otro y oscila entre los -9 mV y -100 mV.

Se dice que una membrana está polarizada cuando se establecesobre ella una diferencia de potencial y seguirá así mientraspermanezca impermeable a los iones que la polarizan.

Cuando se estimula pierde momentáneamente suimpermeabilidad y los iones que antes no podían franquearla fluyena través de ella y la despolarizan. Para que la membrana se polaricede nuevo la célula debe "bombear" iones positivos hacia el exterior.En este proceso hay gasto de energía.

Los intercambios entre la célula y el medio que la rodea sonposibles debido a que la membrana es selectivamente permeable.La permeabilidad depende, entre otros factores, del tamaño ynaturaleza de las moléculas que la pretenden atravesar, si estas sonpolares o no, y de su carga.

El agua, con peso molecular de 18 y radio de 0,12 nm, pasacasi libremente y se difunde por ósmosis. Pero la membrana esprácticamente impermeable a las proteínas intracelulares y otrosaniones de gran tamaño, como por ejemplo la albúmina, que tienepeso molecular de 69.000 y radio de 7,5 nm

La membrana también contiene compuertas o válvulas; lascompuertas de voltaje, que se abren o cierran en respuesta aestímulos eléctricos y las compuertas de ligando, que responden aestímulos bioquímicos. Un conducto típico con compuerta de voltajees el conducto del sodio.

La tabla 2.1. muestra el voltaje promedio que se establece sobrela membrana de una neurona de mamífero y su permeabilidad paralos iones sodio, potasio y cloro.

Tabla 2.1Tabla 2.1Tabla 2.1Tabla 2.1Tabla 2.1

Ion Concentración Concentración Potencial PermeabilidadIntracelular Extracelular de equilibrio

(mmol/lt) (mmol/lt) (mV)

Na+

15.0 150.0 +60 0.019K

+150.0 5.5 -90 2.1

Cl+

9.0 125.0 -70 3.9

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En el transporte de iones, cuando las sustancias se mueven endirección del gradiente químico o eléctrico, no requiere consumode energía. Este proceso se denomina difusión. La difusión puedeser simple o facilitada.

Cuando el transporte se efectúa contra el gradiente, los ionesson forzados a desplazarse a través de la membrana; en este casoel desplazamiento se llama transporte activo y consume energía. Esefectuado por una proteína de membrana, activada por el sodio yel potasio, conocida también como bomba sodio-potasio. La energíarequerida por la bomba se deriva exclusivamente de la hidrólisisdel ATP (Adenosín Trifosfato).

Este proceso ocurre con el potasio, que tiene mayorconcentración en las células musculares y nerviosas que en el medioque las rodea. Tal situación se esquematiza en la figura 2.4.

Figura 2.4. Transporte Activo. Para mantener una alta concentraciónde K

+ en el interior de la célula se requiere energía en forma de ATP

EFECTOS DEL TRANSPORTE NAEFECTOS DEL TRANSPORTE NAEFECTOS DEL TRANSPORTE NAEFECTOS DEL TRANSPORTE NAEFECTOS DEL TRANSPORTE NA+++++ Y K Y K Y K Y K Y K

+++++

La bomba sodio-potasio es un mecanismo que se encuentra encada célula. Produce desplazamiento neto de cargas positivas haciael exterior de la célula, puesto que tiene la propiedad de transportartres Na

+ hacia el exterior por cada dos K

+ hacia el interior.

Su funcionamiento, regulado en parte por cierta realimentación,es activado o no por la concentración de Na

+ en el interior de la

célula.

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Alvaro Tucci R.

es la densidad de corriente en partículas por unidad deárea.es la concentración de las partículas.es la constante de difusión yla distancia.

jcDx

j = -D d(c)dx

El trasporte activo del Na+ y el K

+ es un proceso que consume

mucha energía y forma una gran parte de la energía consumida porel metabolismo basal. En promedio constituye 33% de la energíautilizada por la célula. Esta cifra se incrementa hasta un 70% en lasneuronas.

MOVIMIENTO DE LOS IONESMOVIMIENTO DE LOS IONESMOVIMIENTO DE LOS IONESMOVIMIENTO DE LOS IONESMOVIMIENTO DE LOS IONESLos fenómenos de conducción ionica a través de la membrana

están gobernados por:• Difusión de las partículas debido al gradiente de concentración.• Interacción de las partículas cargadas.• Propiedades de la membrana.

DIFUSIÓN POR GRADIENTE DE CONCENTRACIÓNDIFUSIÓN POR GRADIENTE DE CONCENTRACIÓNDIFUSIÓN POR GRADIENTE DE CONCENTRACIÓNDIFUSIÓN POR GRADIENTE DE CONCENTRACIÓNDIFUSIÓN POR GRADIENTE DE CONCENTRACIÓNLa ley de difusión de las partículas, o ley de Fick, establece: "Si

hay una alta concentración de partículas en una región y están enlibertad de moverse, lo harán en la dirección que tienda ahomogeneizar la concentración". Es decir, las partículas se moveránen dirección contraria al gradiente de concentración.

Esta ley se aplica, por ejemplo, a la difusión de partículas de unperfume, a los electrones en difusión cuando se fabrica unsemiconductor, o a la distribución de iones en un electrolito.

Su expresión matemática es:

donde:

La concentración ionica en función de la distancia, para una soladimensión, se representa gráficamente en la figura 2.5.

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Figura 2.5. Concentración iónica en función de la distancia.

En este punto cabe resaltar algunos aspectos relacionados conel fenómeno: La difusión, es un proceso mediante el cual un gas ouna sustancia en solución, debido al movimiento aleatorio de suspartículas, tiende a ocupar todo el espacio disponible.

Las partículas del soluto disueltas en el solvente están en uncontinuo movimiento aleatorio, en consecuencia cualquiera de ellastiene la misma probabilidad de alejarse o aproximarse a la zona enque están más concentradas.

Debido a que hay más partículas en la zona de granconcentración, mayor es el número que se desplazan hacia la zonade menor concentración. Es decir, existe un flujo neto de partículasdel soluto que se mueven de la zona de mayor a menorconcentración.

El tiempo necesario para obtener el equilibrio por difusión esproporcional al gradiente de concentración y cuadrado de la distanciaal área transversal a través de la cual se efectúa la difusión.

En el axón de una neurona en estado de reposo, la concentraciónde K

+ en el citoplasma es unas 30 veces superior a la concentración

del mismo elemento en el líquido extracelular, mientras que laconcentración de Na

+, es unas diez veces superior en el líquido

extracelular. Tal situación se representa en la figura 2.6.En reposo, la membrana es impermeable a los iones Na

+ y poco

permeable a los iones K+. Debido a la alta concentración de K

+ en el

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Alvaro Tucci R.

citoplasma, éstos se difunden a través de la membrana hacia ellíquido extracelular. En consecuencia, en el interior de la célula sedesarrolla una carga negativa. El exceso de carga negativa impideque una mayor cantidad de iones K

+ se sigan movilizando.

Rápidamente se alcanza un equilibrio en el cual no existemovimiento neto de iones K

+. En esta situeción, sobre la membrana

se establece el potencial de reposo.

Figura 2.6. Distribución iónica

Cuando la membrana se vuelve permeable al sodio en el sitiode la estimulación los iones Na

+ entran precipitadamente en la célula

atraídos por la carga negativa existente en su interior y por ladiferencia de gradiente de concentración. Este flujo de ionespositivos invierte momentáneamente la polaridad de la membrana,de modo que se torna positiva en su parte interna. Tal situación seilustra en la figura 2.7

Figura 2.7. Potencial de membrana

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Jd = -uZ dVdx

C

El cambio de permeabilidad al Na+ dura aproximadamente 0,5

ms, luego recupera la impermeabilidad a ese ion. Durante el estímulo,la permeabilidad al K

+ aumenta también, por lo tanto se genera un

flujo de estos iones hacia la parte externa de la célula. El flujo deiones es debido principalmente a que su interior es positivo.

Al terminar el estímulo, la bomba sodio-potasio restablece lacondición de reposo, es decir, expulsa Na

+ e introduce K

+ con el

gasto de energía celular antes nombrado.

INTERACCION DE LAS PARTICULAS INTERACCION DE LAS PARTICULAS INTERACCION DE LAS PARTICULAS INTERACCION DE LAS PARTICULAS INTERACCION DE LAS PARTICULAS CARGADAS CARGADAS CARGADAS CARGADAS CARGADASDebido a su carga, los iones están también sometidos a la ley

de atracción o repulsión. Dicha ley establece que las partículascargadas se atraen o repelen de acuerdo a su polaridad, por lo cualse genera también un flujo de corriente iónica, expresadamatemáticamente por la siguiente ecuación:

donde Jd es la densidad de corriente de difusión. V es la caída de potencial. Z es la valencia o número de cargas del ion. C es la concentración del ion y u es una constante de proporcionalidad

que expresa movilidad.

Con referencia a esta ecuación se pueden hacer los siguientescomentarios: Cuando un ion "no difundible" está de un lado de lamembrana, afecta la distribución del resto de los iones a los cualesla membrana es permeable.

Por ejemplo, si existen iones sodio de un lado de la membrana através de la cual no pueden difundirse y hay iones potasio en el ladoopuesto, los iones sodio impiden que los de potasio se difundan,pues los repelen.

Por lo tanto, la difusión de los iones depende de la distribución delas cargas eléctricas. Los iones del mismo signo se repelen y tiendena separarse, mientras que los de signo contrario se atraen y tienden aunirse. Así se establece una diferencia de concentración de iones a lolargo de la membrana celular que da origen al potencial eléctrico.

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Alvaro Tucci R.

Vm = -kTq

ln (Cl - )i

(Cl - )e

= + 60mV = 61.5 log 15150

Vm =61.5 log(Na

+ )i

(Na + )e

Vm = 61.5 log 9125

= - 70mV

Siempre que existe una diferencia de potencial en un sistema,éste es capaz de realizar un trabajo, ya que posee energía potencialacumulada en "espera" de ser liberada.

Es posible analizar las fuerzas que actúan sobre cada ion situadoen la cercanía de la membrana celular. Considérese, por ejemplo, elion negativo cloruro, el cual está presente en mayor concentraciónen el líquido extracelular en una proporción de 125:9; por tal motivo,tiende a difundirse hacia el interior de la célula. Pero como el interiorde la célula es negativo con respecto al exterior, los iones clorurose ven forzados a permanecer en el exterior. Así se alcanza unequilibrio, en el cual los iones cloruro que salen de la célulason numéricamente iguales a los que entran.

El potencial de membrana que se establece al detenerse el flujode iones Cl

— se llama potencial de equilibrio y su magnitud puede

calcularse por medio de la ecuación de Nernst:

donde: k es la constante de Boltzman = 1,38 x 10-23

J/K. T es la temperatura absoluta en grados Kelvin q es la carga del protón = 1,602 x 10

-19 C.

Cl—

representan la concentración del ion respectivo.

Los sufijos "i" y "e" se refieren al lugar en que se encuentran losiones, "i" en la parte interna de la membrana, "e" en la parte externa.

Si en la ecuación anterior se sustituyen las constantes "k" y "q"por su valor numérico y se cambia "ln" por "log" de base 10, para latemperatura de 37 grados centígrados, se obtiene la expresión:

Tomando valores de la tabla 2.1, para el ion (Cl—) se obtiene:

En este caso, el valor calculado para el potencial de membranaes -70 mV, que corresponde al medido en una membrana en

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Vm = 61.5 log(Cl

- )i

(Cl - )e

= -90mV = 61.5 log5.5150

Vm = 61.5 log(K

+ )i

(K + )e

lnPK(K

+)i + PNa(Na

+)i + PCl(Cl

-)e

Vm =KTq PK(K

+)e + PNa(Na

+)e + PCl(Cl

-)i

reposo. Por lo que se concluye que no es necesario invocar otrasfuerzas, que no sean las representadas por los gradientes químicoy eléctrico, para explicar la migración y distribución del (Cl

—) a través

de la membrana.Utilizando el mismo procedimiento, el voltaje de equilibrio para

el (K +) es dado por:

El voltaje de equilibrio para el (Na+) es:

En el sodio, al contrario que en los casos anteriores, elgradiente de concentración y por tanto el gradiente eléctrico,son de sentido contrario.

Esto se refleja por el signo positivo del voltaje expresado enla última ecuación.

Si sólo las fuerzas eléctricas y químicas estuvieran actuando,cabría esperar que la célula ganara (Na

+) y perdiera (K

+). Sin

embargo, la concentración intracelular se mantiene constantepor la presencia del transporte activo de (Na

+) hacia el exterior y

del (K+) hacia el interior contra sus gradientes.

Goldman, estableció la ecuación, basada en los principiosanteriores que permite calcular la diferencia de potencial en lamembrana en condiciones de equilibrio, es decir, cuando no hayflujo neto de iones a través de ella. Así:

PK, PNa, y PCl, representan la permeabilidad de la membrana alion respectivo, expresado en tabla 2.1.

De la ecuación de Goldman, se deduce que la magnitud delpotencial de membrana depende de la distribución de los ionessodio, cloro y potasio y de la permeabilidad a cada uno de ellos.

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Alvaro Tucci R.

También muestra que Vm es directamente proporcional a latemperatura.

MEDIDA DE L POTENCIAL DE MEMBRANAMEDIDA DE L POTENCIAL DE MEMBRANAMEDIDA DE L POTENCIAL DE MEMBRANAMEDIDA DE L POTENCIAL DE MEMBRANAMEDIDA DE L POTENCIAL DE MEMBRANALas teorías anteriores son fácilmente comprobables mediante

la medida de la diferencia de potencial que se establece en lamembrana.

Se puede medir por medio de un milivoltímetro de altaimpedancia de entrada con uno de sus terminales en contacto conel líquido intracelular y el otro con el líquido extracelular, tal comose indica en la figura 2.8.

El microelectrodo que se introduce en la célula está recubiertopor un aislante, excepto en la punta, que entra en contactoúnicamente con el líquido celular. El otro electrodo está encontacto directo con el líquido extracelular.

El milivoltímetro indica la diferencia de potencial que se establecesobre la membrana celular aproximadamente 70 mV negativorespecto al líquido que la rodea, lo cual indica que la concentraciónde iones negativos en el interior es mayor que en el líquidoextracelular.

Figura 2.8. Medida del potencial de membrana

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El estudio de los biopotenciales que se establecen sobre lamembrana, es esencial para entender cómo trabajan muchosinstrumentos médicos, los cuales basan su funcionamiento en ladetección de estas señales.

Algunos de ellos, como el electrocardiógrafo, elelectroencefalógrafo, el electromiógrafo y el electroretinógrafomiden directamente los biopotenciales en la superficie de la piel.Estos biopotenciales, no son más que la sumatoria de los voltajesque se generan sobre cada membrana celular. Como dato curiosose puede nombrar el desfibrilador, que actúa en forma contraria;despolariza simultáneamente todas las células cardíacas.

Hacer una medición biológica equivale a la detección, adquisición,tratamiento, cuantificación y presentación de señales que el propiocuerpo genera.

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Sistema NeuromuscularSistema NeuromuscularSistema NeuromuscularSistema NeuromuscularSistema Neuromuscular

CAPÍTULO 3

EEEEEl deseo de conocer, explorar, o simplemente curiosear, soncaracterísticas de algunos seres vivos catalogados comosuperiores. Una planta o una ostra no sienten deseos ni les interesael medio ambiente, la lluvia o las corrientes marinas le ponen a sualcance, de alguna manera, sus alimentos. Si son atacadas por elfuego o algún parásito simplemente mueren. Otros organismos másevolucionados aprendieron a moverse, seguramente para buscaralimento, sobreviviendo entonces los mejores.

Para poder moverse se hicieron más complejos; desarrollaronórganos motores y sensitivos que les permitieron captar más ymejores sensaciones del medio ambiente y aprendieron aintercambiar mensajes entre ellos. Desarrollaron un sistemanervioso complejo, capaz de "almacenar" e interpretar los datoscaptados por los sentidos.

Un perro, en sus momentos de ocio, después de habersatisfecho sus necesidades básicas, se dedica a explorar, olfatea yoye el más leve ruido. Se interesa por el medio ambiente, curioseay mantiene su cerebro activo; por tal motivo se dice que el perroes más inteligente que otros animales que no se dedican a estasactividades. Sus ratos de ocio lo emplean, por ejemplo, como haceel gato, en dormir.


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Instrumentación Biomédica / Sistema Neuromuscular

Cuanto más evolucionado es el sistema nervioso, particularmenteel cerebro, mayor es la necesidad de explorar, de curiosear, deconocer, de aprender, como hace el mono, que se interesa porcualquier cosa que cae en sus manos.

El cerebro humano es la más estupenda masa del universoconocido. Su capacidad de recibir, organizar y almacenar datossupera ampliamente los requerimientos necesarios para la vida.

El exceso de capacidad, es lógicamente utilizado primero parasatisfacer las necesidades básicas; cultivar, cazar, tejer, almacenar.Luego lo impulsa a conocer, explorar, entender; aprender,desarrollar, o también puede conducirlo al aburrimiento, causa degraves enfermedades mentales.

Pero ¿qué ocurre una vez satisfechas estas necesidades? El deseode conocer impulsa al hombre hacia nuevos caminos como las BellasArtes. En los albores de la civilización se hacían estatuillas, o sepintaban las paredes con escenas cotidianas. ¿Qué impulsa a CristóbalColón a descubrir nuevos mundos, o más recientemente, al hombrehacia el espacio exterior? Simplemente la necesidad de mantener lamente ocupada.

La mente, no sólo se ocupa para crear obras de arte o descubrirnuevos mundos, también se emplea para cultivar el conocimientopor el propio placer que esta actividad produce.

Saber porqué se hace de noche o de día, porqué brillan lasestrellas, porqué cae una piedra, o qué son el rayo y el trueno; escuriosidad pura; su conocimiento no resuelve absolutamente nadapráctico.

No obstante, siempre han habido personas interesadas porcontestar preguntas aparentemente tan inútiles. Se ha tratado decontestarlas sólo por el placer de mantener el cerebro ocupado.Galileo lo hacía, aun arriesgando su propia integridad física.

Las culturas anteriores a la griega, afirmaban que los fenómenosnaturales provenían de lo sobrenatural, eran los caprichos de losdioses. Los pensadores griegos fueron los primeros en sospechar,luego afirmar, y algunas veces comprobar, que el Universo era unsistema gobernado por leyes inflexibles.

Los filósofos griegos, ocupaban su tiempo con el excitanteejercicio de descubrir hasta que punto existían realmente las leyesnaturales. Tales de Mileto, observando el firmamento y sirviéndosede los conocimientos de los babilonios, fue capaz de predecir uneclipse que se produjo en el año 585 a. de J.C.

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A partir de estas observaciones, motivadas por la imperiosanecesidad de conocer, es como el hombre, para su bien o para sudesgracia, llegó a la "civilización" actual.

EL SISTEMA NERVIOSOEL SISTEMA NERVIOSOEL SISTEMA NERVIOSOEL SISTEMA NERVIOSOEL SISTEMA NERVIOSOEl ser humano, a diferencia de otros animales vivientes de su

tamaño, tiene pocas ventajas físicas comparativas: caminatorpemente, no puede correr como un gamo, su visión, oído y olfatoson inferiores a los de ciertos animales y es posiblemente el únicoser que, por haber adoptado la posición erecta, sufre de lumbago.

Si se piensa en la perfección evolutiva de otros organismos,como la maravillosa capacidad del pez para nadar o del ave paravolar; la enorme fecundidad, adaptabilidad y resistencia de losinsectos; entonces el hombre parece una criatura pobrementeconstituida y equipada. No obstante, a pesar de estas desventajas,ha conseguido dominar este planeta gracias únicamente a unaevolución determinante; la de su cerebro.

Cualquier organismo constituido por un gran número de célulasdebe tener un sistema que las coordine, en caso contrario, susrespuestas serían erráticas. Cada célula actuaría por su cuenta,anárquicamente. Se observa que hasta los animales multicelularesmás primitivos poseen un sistema de comando y coordinación, queno es más que los rudimentos de un sistema nervioso.

Cuando se intenta comprender lo que realmente ocurre en elsistema nervioso, compuesto esencialmente por neuronas, seobserva un funcionamiento tan sutil y complejo, que hasta suactuación más simple desconcierta.

La naturaleza no ha creado el cerebro. Es el resultado de unainterminable serie de "incidentes" evolutivos, que proporcionanventajas comparativas y mayores posibilidades de supervivencia alorganismo que las posea. Se supone que en los cordados (animalesque tienen columna vertebral o al menos notocordio), el cerebrose desarrolló a partir de estructuras rudimentarias, que en principioeran simples expansiones o abultamientos del tejido nervioso. Amedida que se avanza en el desarrollo de las especies, el cerebroadquiere una importancia mayor, llegando a constituir el principalcomponente del encéfalo.

Si un animal logró poseer una mancha sobre su cuerpo queera excepcionalmente sensible a la luz, pudo evolucionar durante

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millones de años y convertirse en el sentido de la vista. Dichaevolución implica la aparición de grupos de células especializadasque posteriormente formarían los órganos.

La evolución del cerebro humano, según las modernas teorías,tres veces más grande que el de nuestros parientes más cercanosen la escala evolutiva, los simios, pesa aproximadamente 1500gramos. Se supone que creció y evolucionó durante millonesde años a partir del tronco cerebral.

El tronco cerebral es la parte más primitiva del cerebro, rodea laporción superior de la médula espinal y está presente en todas lasespecies que tienen un sistema nervioso. Es un embrión cerebralque regula las funciones vitales básicas como la respiración y elmetabolismo.

Esta masa nerviosa, predominante en la Era de los Reptiles, notenía la capacidad de pensar, sentir o aprender; simplemente seconcretaba a ejecutar un conjunto de “programas” capaces deasegurar la supervivencia.

Millones de años más tarde, se reunieron un conjunto de célulasque rodearon parte del primitivo tronco cerebral. Este reducido grupode neuronas formaron un pequeño centro dedicado a analizar losolores, lo que permitió determinar si procedían de un alimento o unveneno, de un depredador o una presa, o de un compañero sexual.

Un segundo grupo de células del mismo centro, organizadasen otra capa, enviaba mensajes al resto del sistema nerviosoindicándole si el animal debía morder o escupir, huir o depredar,o aparearse.

Con la aparición de los primeros mamíferos se formaron otroscentros, otras capas que rodearon y bordearon el tronco cerebral,a las que se llamó sistema límbico (limbus, palabra latina que significaborde).

A medida que evolucionaba, el sistema límbico desarrolló dospotentes características: el aprendizaje y la memoria. Talesherramientas le permitieron al animal tener cierto grado deinteligencia y adaptarse a situaciones cambiantes. Ya susreacciones no serían automáticas e invariables, sino adecuadas alas exigencias del medio en que vivía.

Se estableció una relación entre el centro olfativo y el sistemalímbico que permitía distinguir diferentes olores, reconocerlos,comparar el olor presente con el pasado y determinar si era bueno

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o malo. De esta manera, se sentaron las bases rudimentarias de loque sería la neocorteza cerebral o cerebro pensante.

Hace aproximadamente unos 100 millones de años se produjoeste desarrollo excepcional en el cerebro de los mamíferos. Sobrelas capas que rodeaban el tronco cerebral se anexaron otras capasde células que formaron la neocorteza. La neocorteza ponía adisposición de quien la tuviera un cerebro pensante, donde sepercibe, se comprende y se planifica.

La neocorteza del Homo Sapiens, mucho más grande que la deninguna otra especie, ha hecho al hombre. Es el asiento delpensamiento, contiene los centros donde se compara y comprendelo que perciben los sentidos, agrega los sentimientos, aprecia el artey propicia la imaginación.

El agregado de la neocorteza, con sus conexiones en el sistemalímbico, incorpora las emociones, como por ejemplo el amormaterno. El vínculo madre-hijo, base de la unidad familiar, haceposible el desarrollo humano durante el largo periodo de la infancia,mientras el cerebro continúa desarrollándose.

Las especies que no poseen la neocorteza, como los reptiles,carecen de este vínculo. Cuando sus crías salen del huevo, debeningeniárselas para subsistir y no ser devoradas. No hay madre quelas defienda.

A medida que se avanza en la escala evolutiva, desde el reptil alsimio y al ser humano, se observa que la masa de la neocortezaaumenta. Con ese aumento se produce un crecimiento geométricode las interconexiones del circuito cerebral. Cuanto más grande esel número de interconexiones más variadas serán las respuestasposibles. Así, mientras una rata o un mono tienen limitadasrespuestas típicas al miedo, la neocorteza humana, más grande,permite una mayor variedad de respuestas, entre las cuales seincluye una llamada a la policía.

Sorprendentemente, muchos filósofos de la antigüedaddesconocieron casi por completo las funciones del órgano situadodentro del cráneo. Aristóteles (384-322 a. de J.C.), lo considerabaun dispositivo cuya función era enfriar la sangre excesivamentecaliente. El médico griego de Alejandría, Herófilo de Chacedón (335-280 a. de J.C.), reconoció correctamente que el cerebro era elasiento de la inteligencia, pero el error de Aristóteles tenía máspeso que su acierto.

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Herófilo, considerado por muchos padre de la anatomía, estudióel cerebro humano y comprobó que los nervios pueden transmitirimpulsos motores y sensitivos. Aportó importantes conclusionessobre la anatomía del ojo, dio nombre al duodeno. Fue ademáseminente clínico; empleó el reloj de agua para medir la frecuenciacardíaca. Los pensadores medievales localizaban las emociones,la personalidad y los sentimientos en el corazón, el hígado y elbazo; de allí las expresiones «tiene un gran corazón», «tengo elcorazón roto», y otras similares.

El primer anatomista moderno fue un médico inglés Thomas Willis(1621-1675), quien en el siglo XVII describió los trayectos seguidospor los nervios hasta el cerebro. Un siglo después el fisiólogo suizoAlbrecht von Haller (1708-1777), llegó a la conclusión de que elcerebro recibía sensaciones a través de los nervios y enviabamensajes como respuestas. Supuso que todos los nervios se uníanen el centro del cerebro.

En 1811, el médico austríaco Franz Joseph Gall (1758-1828), fijósu atención en la materia gris presente en la superficie. Sugirió quelos nervios no se reunían en el centro del cerebro como habíasupuesto von Haller, sino que cada uno de ellos se dirigía haciauna determinada región de la materia gris. Opinaba que las diferenteszonas de la corteza cerebral se especializan en una determinadafunción. En 1824, el anatomista francés Jean Pierre Flourens (1794-1867), demostró que el cerebro era el responsable de la actividadintelectual y de la voluntad.

Hoy sabemos que el sistema nervioso nos relaciona con lasmúltiples manifestaciones del mundo que nos rodea. El color, laforma, el movimiento, los sonidos, el frío o el calor, el tacto y muchosotros, son percibidos y evaluados por este sistema.

Preside los actos, desde los más instintivos, como la respiración,hasta la coordinación de los músculos y las glándulas. Es importantepara la vida de relación y para la vida vegetativa. Es sede de la memoria,la inteligencia, el razonamiento, el proceso de aprendizaje, lossentimientos, el carácter y muchas otras particularidades propias delos seres humanos.

Desde el punto de vista funcional, el sistema nervioso juntocon el sistema endocrino integran y controlan las numerosasfunciones que nos permiten regular el medio interno y relacionarnoscon el medio externo.

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Los anatomistas dividen este sistema en dos partes: el sistemanervioso central, formado por el encéfalo y la médula espinal,responsable de toda la actividad nerviosa y el sistema nerviosoperiférico, compuesto por los nervios que parten del cráneo y dela médula espinal.

Los nervios se dividen y subdividen, como las raíces de unárbol, hasta inervar todo el cuerpo; los músculos, las glándulas, lapunta de los dedos, el intestino y por supuesto, el cráneo.

LA NEURONALA NEURONALA NEURONALA NEURONALA NEURONALa unidad funcional del sistema nervioso es la neurona. Está

formada por el cuerpo celular, sede de su núcleo, donde se efectúanlos procesos metabólicos. Del cuerpo celular parten de cinco asiete prolongaciones menores, llamadas dentritas y una ramaprincipal llamada axón.

Las dentritas, que se extienden y se arborizan hacia el exteriordel cuerpo neuronal, son las receptoras de los impulsos nerviosos.En los animales superiores, especialmente en el hombre, lasdentritas están altamente ramificadas. Las neuronas se “articulan”las unas con otras por medio de sus dentritas y axones.

El axón transmite los impulsos nerviosos hasta los botonesterminales, donde los potenciales de acción hacen que se liberenciertas sustancias químicas, llamadas transmisores sinápticos oneurotransmisores. Los transmisores sinápticos hacen que losimpulsos nerviosos sean transmitidos a otras células. Por tal motivo,a las neuronas pueden considerárselas también como célulassecretorias, donde la zona se secreción se encuentra en losextremos del axón. En la figura 3.1 se representa la estructurasimplificada de una neurona.

El axón, un filamento que puede ser muy largo, transmite losimpulsos nerviosos hacia los músculos y las glándulas. En el serhumano puede alcanzar hasta un metro de longitud y 0,01 milímetrode diámetro. Si el cuerpo de la neurona fuera del tamaño de unapelota de tenis, el axón pudiese tener hasta 1,6 kilómetros delongitud.

En general, los nervios están formados por un conjunto deaxones que se agrupan.

A las agrupaciones de los cuerpos celulares neuronales dentrodel sistema nervioso central se les denomina núcleos, mientras que

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a las agrupaciones similares fuera del sistema nervioso central seles conoce como ganglios.

Figura 3.1. Neurona motora mielinizada

Por el aspecto es difícil distinguir un axón de una dentrita. Ladiferencia se encuentra en la dirección en que fluye la “información”con respecto al cuerpo celular. En las dentritas fluye hacia el cuerpocelular mientras que en el axón se aleja.

Las neuronas tienen un solo axón, normalmente recubierto poruna sustancia aislante grasa llamada mielina. La mielina, un complejolipoproteínico aislante, formado por muchas capas de la membranacelular de las células de Schwann. Se caracteriza por estarinterrumpida por aberturas situadas a intervalos regulares, deaproximadamente un milímetro, conocidas como nodos de Ranvier.

La mayoría de las neuronas del sistema nervioso central de losmamíferos están mielinizadas, mientras que gran parte de lasneuronas de los invertebrados no lo están. La vaina de mielina secaracteriza por envolver todo el axón, excepto en el segmentoinicial, los nodos de Ranvier y en los botones terminales, en loscuales se almacena el neurotransmisor secretado por la neurona.

La vaina de mielina, según el Premio Nobel australiano JohnEccles (1903-1997), es una "brillante innovación". Gracias a ella, lapropagación de los impulsos nerviosos en los vertebrados esmucho más rápida que en los invertebrados.

El impulso nervioso, en lugar de deslizarse sobre la membranacomo lo hace en las fibras nerviosas no mielinizadas, “salta” de unnodo a otro, como se muestra en la figura 3.2., con velocidad depropagación unas 50 mayor.

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Figura 3.2. Neurona mielinizada donde el impulso “salta” se un nodo a otro

La velocidad normal de propagación en el hombre oscila entre60 y 120 metros por segundo, dependiendo del individuo, del tipode nervio, del estímulo y de la temperatura. En algunas fibrasnerviosas mielinizadas gruesas, se llegan a registrar velocidadesde propagación de hasta 200 metros por segundo.

El sistema nervioso humano contiene billones de neuronas.Cada una puede ser considerada como un centro genético, puestoque ellas mismas generan su axón y sus dentritas, hasta tal puntoque si se amputa una de estas prolongaciones vuelve a regenerarse.Si se amputa el axón que inerva un músculo este se atrofia, ya queal regenerarse no inerva el músculo acertadamente.

Las neuronas nacen con nosotros, nos acompañan durante todala vida, se van perfeccionando hasta cierta edad y luego comienzana decaer junto con el resto del organismo. Contrariamente a loque se creía, recientemente se comprobó que también sereproducen al igual que otras células. De acuerdo a su función, lasneuronas pueden clasificarse en sensoriales, motoras y deasociación.

LAS NEURONAS SENSORIALESLAS NEURONAS SENSORIALESLAS NEURONAS SENSORIALESLAS NEURONAS SENSORIALESLAS NEURONAS SENSORIALESLos seres vivientes perciben los hechos presentes en el medio

donde se desenvuelven si disponen de los sensores adecuadospara detectarlos.

Para las amebas no existe el sonido o la luz, puesto que notienen los órganos receptores para oír o ver. Los perros no percibenel color, ya que no disponen de los pigmentos visuales apropiados

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para percibirlos. Los humanos no percibimos los ultrasonidos, nilos rayos infrarrojos o ultravioletas, ni las ondas de radio, porqueno disponemos de los transductores que condicionen esasenergías.

El aparato de radio convierte la energía electromagnética radiadapor una antena en ondas sonoras perceptibles por el oído. Elaparato de radio, así como la mayoría de los instrumentoscientíficos, son simples extensiones de nuestros receptoresbiológicos: los sentidos.

Los estímulos provenientes del ambiente son formas de energía.Los órganos sensoriales contienen terminaciones nerviosasespecializadas para recibir esas energías. La energía sonora escaptada y traducida por un aparato especializado: el oído. Laespecialización de las neuronas hacia cierta forma de energía semanifiesta cuando un estímulo, que pudiera interpretarse comodolor en un nervio, es interpretado por el nervio auditivo como unsonido, el nervio óptico lo interpretaría como una luz.

La sensibilidad corporal nace de las terminaciones nerviosas.Los receptores corporales se encuentran principalmente en lossentidos, que captan los estímulos provenientes del ambiente,como son el sonido, la luz, el olor, el frío, el calor, el contacto, lavibración, la aceleración y otros. Las neuronas sensitivas son lasque conducen los estímulos originados en las terminacionesnerviosas hacia el sistema nervioso central, por lo cual se le llamaaferentes o centrípetas.

Las terminaciones nerviosas "transmiten" a la fibra sensitiva laestimulación mecánica, química o térmica, después de haberlatransformado en impulsos nerviosos. Los impulsos nerviosos sonlas únicas señales que pueden ser transportadas por las neuronas.

LAS NEURONAS MOTORASLAS NEURONAS MOTORASLAS NEURONAS MOTORASLAS NEURONAS MOTORASLAS NEURONAS MOTORASLas neuronas motoras conducen los estímulos originados en

los centros nerviosos hacia los músculos y las glándulas queinervan.

Transmiten el control de la motricidad, el tono muscular ycomplejos mecanismos, como el que nos permite estar de pie.En ellas, el estímulo se aleja de los centros nerviosos, por eso seles llama eferentes o centrífugas.

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LAS NEURONAS DE ASOCIACIÓNLAS NEURONAS DE ASOCIACIÓNLAS NEURONAS DE ASOCIACIÓNLAS NEURONAS DE ASOCIACIÓNLAS NEURONAS DE ASOCIACIÓNLas neuronas sensoriales son incapaces de inducir una acción

motora y las neuronas motoras no pueden captar los estímulosprovenientes del medio. Para que un estímulo sensorial seatraducido en acción, debe ser “acoplado” a una neurona motora. Elacoplamiento necesario lo provee el sistema nervioso central pormedio de las neuronas de asociación que lo componen.

EL SISTEMA NERVIOSO CENTRALEL SISTEMA NERVIOSO CENTRALEL SISTEMA NERVIOSO CENTRALEL SISTEMA NERVIOSO CENTRALEL SISTEMA NERVIOSO CENTRALPreside la vida de relación y controla las funciones dependientes

de la voluntad. En los vertebrados, el sistema nervioso central esformado por la masa encefálica y la médula espinal. Está contenidoen el cráneo y en la columna vertebral.

La región más prominente de la masa encefálica es el cerebro,compuesto por más de 5.000.000.000.000 neuronas de asociación.Su representación simplificada se muestra en la figura 3.3. El cerebroes el centro donde se reciben los estímulos sensoriales que setraducen en respuestas apropiadas. En él se conserva la informaciónrecogida por los sentidos, es el centro de la memoria, la inteligencia,los sentimientos y de infinidad de otras funciones.

En la memoria están almacenados miles de “trozos” deinformación que cada segundo recogen los sentidos. Allí estánguardados los recuerdos e infinidad de incidentes, hasta los mástriviales, que se creían hace tiempo olvidados. Si consideramos laduración de la vida, y los miles de datos que nuestros sentidosrecogen cada segundo, llegamos a la conclusión que la capacidadde la memoria es prodigiosa.

La facultad de aprender, la utilización de los conocimientosadquiridos, la inteligencia, la personalidad, el lenguaje, las ideas,el razonamiento, los pensamientos, los sentimientos, soncaracterísticas del sistema nervioso que se va desarrollandodurante toda la vida.

El cerebro envía los impulsos motores al cerebelo, éste losdistribuye y los dirige en forma ordenada hacia los músculos. Undaño en el cerebelo, hace que el ser humano pierda el control desus actividades musculares, sus movimientos pueden volver a sercomo los de un infante.

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Figura 3.3. El encéfalo humano.

El tálamo, gran núcleo de sustancia gris situado debajo delcerebro, actúa como centro de recepción, relevo y control dediversas sensaciones. Las sensaciones intensas de dolor, calor, fríoo ruido son "filtradas" a este nivel, mientras que las menos intensasfluyen directamente hacia la corteza cerebral.

El hipotálamo, situado inmediatamente debajo del tálamo, contienelos centros que controlan las grandes funciones vegetativas, como latemperatura corporal y el ciclo de vigilia–sueño. Además, tiene influenciasobre la pituitaria. El hipotálamo y la pituitaria, controlan entre otrascosas, el apetito, el balance del agua, el metabolismo de loscarbohidratos y las grasas, la presión sanguínea y el estado emocional.

En 1954, el fisiólogo norteamericano James Olds (1922-1976)descubrió una función más bien aterradora del hipotálamo. Contieneuna región que si se estimula da origen a una sensación sumamenteplacentera. Un electrodo situado en el centro del placer de una rata,dispuesto de tal forma que pueda autoestimularse, hace que lo activehasta 8000 veces por hora, durante días. El animal pierde el interéspor cosas tan fundamentales como los alimentos, el sexo y el sueño,todo resulta innecesario comparado con este estímulo.

La médula oblongada, situada en la parte superior de la médulaespinal, conecta la masa encefálica con la médula espinal. Controlamuchos procesos fisiológicos involuntarios, como la respiración, loslatidos del corazón, el vómito y la contracción o dilatación de losvasos sanguíneos que a su vez controlan la presión arterial.

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Es incorrecto considerar el sistema nervioso central sólo comoun "controlador" de las sensaciones provenientes de los sentidosy de la actividad motora. Es un sistema que además es capaz deorganizar la percepción de los conocimientos, conservar sus rastrosy confrontar los nuevos aprendizajes con los previamentealmacenados. Proporciona el conocimiento del esquema corporal,la actividad gestural, la identificación de los objetos, el lenguaje y lamemoria. Es el centro del razonamiento, la inteligencia, elpensamiento, la creatividad. La neurociencia, a pesar de susasombrosos avances, no ha podido comprender plenamente muchosde sus complejos procesos.

Un corte del cerebro y de la médula espinal muestran que estánconstituidos por dos tipos de materia. La materia gris, situada en lacorteza cerebral y en el centro de la médula espinal y la materiablanca, situada en la zona central del cerebro y en la parte externade la médula. En la materia gris están localizados los cuerposneuronales, mientras que en la materia blanca están localizadosprimordialmente los axones y las dentritas.

Aproximadamente el 10% del tejido nervioso está formado porneuronas, el resto, por una materia llamada neuralgia. La neuralgia,formada por varias clases de células, soporta físicamente, nutre,protege y aísla las neuronas. De estas células, la más conocida es lade Schwann, que forma vainas de mielina alrededor de las fibrasneuronales.

El cerebro se divide en dos hemisferios; el derecho y el izquierdo.El hemisferio izquierdo es el responsable de la actividad del ladoderecho del cuerpo. Al hemisferio derecho le corresponde controlarel lado opuesto. Los dos hemisferios están conectados por el puentede Varolio, un haz grueso de fibras nerviosas que permite lacoordinación entre ambos.

La médula espinal es un cordón nervioso que se extiende a lolargo de los orificios centrales de las vértebras, desde el agujerooccipital hasta la segunda vértebra lumbar. Mide, en el hombre adulto,unos 45 centímetros de largo y 1 centímetro de diámetro.

EL SISTEMA PERIFÉRICOEL SISTEMA PERIFÉRICOEL SISTEMA PERIFÉRICOEL SISTEMA PERIFÉRICOEL SISTEMA PERIFÉRICOEl resto del sistema nervioso, que no pertenece al sistema

central, se llama sistema nervioso periférico. Está constituidoprincipalmente por nervios sensoriales y motores, que son

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prolongaciones del sistema central, e inervan y se extienden portodo el cuerpo. Muchos de estos nervios son mixtos, por estarformados por fibras sensitivas y motoras.

El sistema periférico de los mamíferos comprende cuarenta ytres pares de nervios: doce craneales y treinta y uno raquídeos.

De la masa encefálica se desprenden los doce pares de nervioscraneales que inervan las estructuras de la cabeza y el cuello; otros,como el nervio vago, inerva el estómago y el corazón.

De la médula se derivan 31 pares de nervios raquídeos oespinales, cada uno formado por fibras motoras y sensoriales, queinervan un grupo de músculos esqueléticos y perciben señalessensoriales provenientes de algún área precisa del cuerpo.

Los nervios fueron observados por los primeros anatomistas,pero no comprendieron su estructura y sus funciones. El médicogriego Claudio Galeno (131-201), en el siglo II d. de J.C., losconsideraba conductos huecos que servían para el transporte deun fluido "sutil". El físico y médico italiano Luigi Galvani (1737-1798),descubrió que la acción nerviosa estaba asociada a la electricidad,también un “sutil fluido”, más sutil de lo que Galeno podía imaginar.

En 1873, el estudio del sistema nervioso experimentó un avanceconsiderable cuando otro fisiólogo italiano, Camillo Golgi (1843-1926), demostró que los nervios estaban formados por célulasseparadas e independientes que no se unen entre sí, sino por mediode la sinapsis.

Golgi, apoyó con sus experimentos la teoría asomada por elanatomista alemán Wilhelm von Waldeyer (1836-1921), quienafirmaba que el sistema nervioso se componía de células nerviosaso neuronas. Dicha teoría fue reforzada por el neurólogo españolSantiago Ramón y Cajal (1852-1934), quien hacia 1889, estableciódefinitivamente la teoría de las neuronas.

Algunos de los axones de las neuronas motoras y las dentritasde las neuronas sensoriales pueden ser bastantes largas. La máslarga en el ser humano se extiende desde la médula espinal hastael dedo pulgar del pie; más de un metro de longitud.

Los nervios están formados por muchas fibras nerviosas, cadauna aislada de las otras, y todas envueltas en una membrana llamadaperineuro. La sección transversal de un nervio es parecida a la de uncable telefónico de muchos alambres. Su corte transversal serepresenta en la figura 3.4.

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Los pares de nervios craneales sensoriales son el óptico, elolfatorio y el auditivo. Los pares craneales motores son el ocularcomún, el patético, el ocular externo, el par espinal, que inerva enel cuello, la laringe y en la faringe, y el par hipogloso que inervaparte de la lengua.

Figura 3.4. Corte transversal de un nervio.

Los pares de nervios craneales mixtos son cuatro: el partrigémino que inerva la cara, parte de la cabeza y los músculosmasticadores; el par de nervios faciales, que gobiernan la expresióny la fisonomía, e inervan los músculos de la cara y el cuello; el parglosofaríngeo que inerva la lengua, la faringe y el paladar; y el parde nervios neumogástricos o vagos, que inervan las víscerastorácicas y parte de las abdominales. Este último par es muy largo,muy ramificado y preside funciones de importancia vital.

Los treinta y un pares de nervios raquídeos son nervios mixtos.Emergen por los agujeros de conjugación de las vértebras. Estánformados por dos raíces: la raíz anterior, constituida por fibrasmotrices y la posterior, por fibras sensitivas. Los nervios raquídeosse reúnen en cinco grupos clasificados según la zona de origen enla columna vertebral; ocho pares cervicales, doce dorsales, cincolumbares, cinco sacros y un coxígeo.

Los ocho pares cervicales se dividen en cuatro pares superiores,que forman el plexo cervical, de donde sale el nervio frénico; ycuatro pares inferiores, que forman el plexo braquial, que inervalos brazos. Los doce pares dorsales se distribuyen alrededor deltórax para formar los nervios intercostales. Los cinco pares

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lumbares forman el plexo lumbar, de donde procede el nervio crural,que inerva la parte anterior del muslo. Los cinco pares sacrosconstituyen el plexo sacro, de donde se origina el más voluminosode los nervios, el ciático, que inerva la parte posterior del muslo yla pierna. Finalmente, el delgado nervio coxígeo que se dirige haciala piel y músculos de esa región.

El sistema nervioso periférico en el hombre y en ciertos animalessuperiores, consta realmente del subsistema sensorial somático ovoluntario y el subsistema autónomo vegetativo o involuntario.

EL SISTEMA SOMÁTICO O VOLUNTARIOEL SISTEMA SOMÁTICO O VOLUNTARIOEL SISTEMA SOMÁTICO O VOLUNTARIOEL SISTEMA SOMÁTICO O VOLUNTARIOEL SISTEMA SOMÁTICO O VOLUNTARIOSe ocupa principalmente de la recepción de las sensaciones

provenientes de los sentidos, los músculos y las articulaciones, yde la transmisión y recepción de impulsos hacia estos órganos.Inerva aquellos músculos cuyos movimientos dependen de nuestravoluntad. Se expresa, por ejemplo, con el deseo de mover un dedo,de pensar, de escribir, o de mirar hacia un lado. Su control seencuentra en el cerebro y en la médula espinal.

EL SISTEMA AUTÓNOMO O VEGETATIVOEL SISTEMA AUTÓNOMO O VEGETATIVOEL SISTEMA AUTÓNOMO O VEGETATIVOEL SISTEMA AUTÓNOMO O VEGETATIVOEL SISTEMA AUTÓNOMO O VEGETATIVOMuchos órganos del cuerpo humano funcionan perfectamente

bien sin la participación consciente y sin ningún esfuerzo consciente.Ni las contracciones peristálticas del intestino, ni los latidos delcorazón, ni la actividad de secreción del páncreas, ni la digestión,necesitan de nuestra acción. Sin embargo, todos ellos estáncontinuamente bajo el estricto control del sistema nervioso, inclusodurante el sueño.

Este sistema fue investigado por el fisiólogo británico JohnNewport Langley (1852-1925) en la década de 1890, quien, apartede reconocerlo como tal, le denominó sistema nervioso autónomo ovegetativo. Determinó que el control y la regulación automática dealgunos procesos vitales involuntarios, como el manejo del músculocardíaco, los músculos lisos, las glándulas involucradas en lasfunciones digestiva, circulatoria, urinaria, de reproducción y otras,provenía de la médula espinal y de algunas porciones del encéfalo.

El sistema nervioso autónomo está formado por dos grupos denervios: el simpático y el parasimpático. Cada grupo se origina enlugares diferentes del sistema nervioso. Un nervio de cada grupoinerva cada órgano.

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Los efectos de estos nervios sobre un determinado órgano sonopuestos; por ejemplo, los nervios provenientes del simpáticoconducen señales que tienden a aumentar los latidos del corazóny a diminuir la velocidad con que se efectúa la digestión; mientrasque los nervios provenientes del parasimpático, que inervan losmismos órganos, producen un efecto contrario, es decir, tiendena disminuir los latidos del corazón y a acelerar la digestión.

Este sistema de control permite una respuesta inmediata delórgano inervado. Cuando surge la necesidad de disminuir o acelerarsu función ambos sistemas entran en acción con más o menosintensidad. Al disminuir los impulsos del nervio parasimpático queinerva el corazón, se produce un inmediato aumento de sus latidos.Contrariamente, una disminución de los impulsos en el nerviosimpático produce un inmediato descenso en sus latidos. Losnervios simpático y parasimpático que inervan el corazón producensustancias neurotransmisoras de efectos opuestos.

Hay que aclarar que no sólo los sistemas simpático yparasimpático son los encargados de acelerar o desacelerar loslatidos del corazón; estos sistemas son únicamente de"emergencia". El corazón está dotado también de un sistema decontrol químico, que para los mismos efectos actúa sobre lasglándulas suprarrenales, pero su velocidad de respuesta es un pocomás lenta.

Hacia 1830, el fisiólogo inglés Marshall Hall (1790-1857), estudióotro tipo de comportamiento involuntario. Observó que cuandoaccidentalmente se toca con la mano un objeto muy caliente, éstase retira en forma instantánea. Si la sensación de calor tuviera quellegar hasta el cerebro, ser interpretada y provocar una respuesta,la mano se quemaría. Supuso acertadamente que debía haber otromecanismo que actuara. La médula espinal “no pensante” realizaesta tarea en forma automática y mucho más rápido. Hall, llamó aeste proceso acto reflejo.

En el ser humano, muchos reflejos están subordinados a laactividad consciente, a nuestra voluntad; se puede mantener lamano sobre un objeto muy caliente si así se decide. En cambio,los animales inferiores, aun los recién nacidos, son muydependientes de los reflejos que desarrollan durante su vida. Suvoluntad tiene menos incidencia en su comportamiento.

Un ejemplo es el de la araña tejiendo su red. Aquí los reflejos

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producen un tipo tan elaborado de comportamiento que se hapreferido llamarlo comportamiento innato.

Las arañas nacen con un sistema nervioso en el cual lasinstrucciones de cómo elaborar el tipo de telaraña propio de suespecie, ya están hechas. Si se observa la telaraña, tejida conmaravillosa precisión y eficacia, es casi imposible creer que hayasido creada por ese insecto. El solo hecho que esta complejatarea sea realizada tan perfectamente como lo haría una máquina,demuestra que la inteligencia no tiene nada que ver. Una arañapuede tejer a la perfección su telaraña, sorprendentementecompleja, aun cuando nunca haya visto una. No obstante, si éstano cumpliera con su función y necesitara ser modificada, el insectono aprendería a construir otro tipo o a modificarla.

Por el contrario, el ser humano nace casi desprovisto deaptitudes innatas. Sólo puede chupar, llorar y apenas agarrarse.Sin embargo, de adulto, su inteligencia le permite dudar, reflexionar,aprender y estudiar las posibles alternativas que son inherentesal pensamiento y que inevitablemente darán origen aimperfecciones y variaciones entre una construcción y otra.

LA COMUNICACIÓN NEURONALLA COMUNICACIÓN NEURONALLA COMUNICACIÓN NEURONALLA COMUNICACIÓN NEURONALLA COMUNICACIÓN NEURONALLas neuronas se encuentran entre un grupo especial de células

capaces de ser excitadas, y cuando lo hacen, generan potencialesde acción de duración muy breve denominados impulsos neuronales.Cuando se inicia el potencial de acción, éste se propaga a lo largodel axón hasta sus terminales, para ser transmitido desde allí a otraneurona.

Durante muchos años se supuso que la transmisión era eléctrica.Las corrientes iónicas producidas por los potenciales de acciónestimulaban las células adyacentes, que a su vez se excitaban,generando su propio potencial de acción.

Ahora se sabe que las señales son transmitidas de unaneurona a otra por medio de una unión especializada conocidacomo sinapsis. La sinapsis puede ser eléctrica o química.

En la sinapsis eléctrica, la transmisión se efectúa cuando elimpulso nervioso pasa directamente de una neurona a otra através de membranas estrechamente unidas.

En la sinapsis química, presente en la gran mayoría de lasconexiones interneuronales de los mamíferos, las neuronas no se

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tocan. Existe un espacio de aproximadamente 20 nanometros entreellas, conocido como espacio o hendidura sináptica. Las señales sepropagan a través de la hendidura sináptica por medio de sustanciasquímicas, conocidas como neurotransmisores, cuyos principalesrepresentantes son la acetilcolina y la noradrenalina.

El potencial de acción, proveniente de la neurona presináptica,llega al extremo de su axón y provoca la liberación de losneurotransmisores que se hallan contenidos en unas cápsulas situadasen el interior de la hendidura (figura 3.5). Estas sustancias se difundenrápidamente y se combinan con las moléculas receptoras, ubicadassobre la membrana de la dentrita de la neurona postsináptica,provocando un cambio en la permeabilidad de su membrana.

Figura 3.5. Representación de la sinapsis.

Después de realizar su función, algunos neurotransmisores sonrápidamente destruidos por ciertas enzimas; mientras que otros,se difunden fuera del espacio sináptico o son nuevamenteencapsulados.

En la sinapsis química la transmisión es unidireccional. El axónde la neurona presinática excita las dentritas o el cuerpo celular dela neurona postsináptica, lo que determina la dirección decomunicación.

Una sola neurona puede recibir señales "excitadoras" de cientose incluso de miles de sinapsis. Según las características de estasseñales, la neurona se puede excitar e iniciar un impulso. Por lotanto, la sinapsis no sólo representa la conexión entre las neuronas,

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sino es un punto de retransmisión y de control extremadamenteimportante para el funcionamiento del sistema nervioso.

LOS MÚSCULOSLOS MÚSCULOSLOS MÚSCULOSLOS MÚSCULOSLOS MÚSCULOSSegún el tipo de fibras que los componen se distinguen tres

tipos de músculos: esquelético, liso y cardíaco. Todos compuestoscasi exclusivamente por células musculares alargadas, contráctilesy poco tejido intersticial.

Las células musculares, al igual que las neuronas, pueden serexcitadas y producir un potencial de acción que se transmite a lolargo de la membrana celular. El potencial de acción activa sumecanismo contráctil.

Los músculos esqueléticos comprenden la masa muscularsomática que normalmente actúa gobernada por la voluntad, esdecir, son de contracción voluntaria. Las células de tejido muscularestriado forman los músculos rojos, cuya característica es lacontracción rápida de corta duración. Están inervados por el sistemanervioso voluntario y son parte fundamental del sistema locomotor.

La fibra muscular estriada es una célula sumamente alargada ypolinucleada. Algunos autores, en vista del gran número de núcleosque la componen, opinan que se trata de la fusión de muchas célulasunidas para construir una fibra.

En un músculo estriado, como el bíceps, las fibras muscularesestán organizadas en forma paralela y se extienden de un extremoa otro del músculo, tal como se muestra en la figura 3.6.

Figura 3.6. Organización del tejido muscular.

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Las células musculares cardíacas son estriadas,mononucleares, ramificadas, de contracción rápida eindependientes de la voluntad.

El tejido muscular liso es inervado por el sistema autónomo.Se caracteriza por estar formado por células que se contraenlentamente e independientes de la voluntad. Forman el tubodigestivo, el útero y las paredes musculares de las arterias y venas,que constituyen los órganos de la vida vegetativa.

LA UNIÓN NEUROMUSCULARLA UNIÓN NEUROMUSCULARLA UNIÓN NEUROMUSCULARLA UNIÓN NEUROMUSCULARLA UNIÓN NEUROMUSCULARCuando un axón que inerva una fibra muscular esquelética se

acerca a su terminación pierde la vaina de mielina y se divide envarios botones terminales, tal como se muestra en la figura 3.6. Lafibra nerviosa así ramificada se adhiere a la membrana que recubrecada fibra muscular y forma la unión neuromuscular.

Si el impulso llega a los botones terminales, se libera unapequeña cantidad de sustancia transmisora, en forma similar a loque sucede con la sinapsis. La sustancia transmisora, la acetilcolina,hace que la membrana celular del músculo sea más permeable a losiones sodio y potasio. Los iones fluyen hacia el interior de la céluladespolarizándola. El potencial de acción se extiende a lo largo de lafibra muscular, que se contrae unos 10 ms después de ladespolarización.

Figura 3.7. Demora de la contracción muscular respecto al potencial de acción.

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La figura 3.7 muestra la relación entre el potencial de acción yla contracción muscular.

Las múltiples terminaciones nerviosas, actuando conjuntamentesobre las fibras individuales, son las que producen el estímulo en elmúsculo completo. Las uniones neuromusculares para el músculocardíaco y los músculos lisos presentan importantes diferencias,aunque cumplen el mismo cometido.

La fibra muscular individual es la unidad fundamental de laestructura del músculo, sin embargo, no es la unidad fundamentalde contracción. Cada fibra nerviosa se ramifica de tal manera queinerva un gran número de fibras musculares simultáneamente. Aese grupo de fibras, que forman la unidad mínima de contracción,se les llama unidad motora.

Cuanto menor es el número de fibras musculares estimuladaspor cada fibra nerviosa, mayor es la precisión del movimiento. Paralos músculos que controlan el movimiento de los ojos, sobre loscuales se tiene un control muy preciso, sólo algunas fibras muscularesson inervadas por cada neurona; contrariamente, en músculos dondeel control es menor, como el bíceps, una sola neurona puede estimularmiles de fibras musculares.

Aunque un músculo es capaz de tener varios grados decontracción, las fibras musculares individuales tienen respuesta detodo o nada. Si el estímulo excede cierto umbral, la fibra muscularresponde con una contracción completa.

Figura 3.8. Patrón de contracción de una fibra muscular y de un músculo completo

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En la figura 3.8a se representa la contracción de una fibramuscular individual o de una unidad motora, mientras que en lafigura 3.8b, la de un músculo completo. En la primera, la respuestaes todo o nada, mientras que en la segunda, se exhibe un aumentogradual en la contracción. El grado de contracción aumenta a medidaque las unidades motoras del músculo se van activando.

Un gran número de drogas actúan directamente sobre lasuniones neuromusculares. La nicotina y la cafeína tienen el mismoefecto que las sustancias transmisoras; estimulan la contracciónmuscular. La persona expuesta a estas sustancias se siente inquieta;sus músculos son más sensitivos al estímulo.

Otras drogas inhiben la actividad de las unionesneuromusculares; entre ellas se encuentra el curare, poderosoveneno conocido desde hace mucho tiempo por los indios centroy suramericanos. El animal expuesto a este veneno muere porparálisis, ya que inhibe las contracciones musculares.

EL MOVIMIENTO DE LOS VERTEBRADOSEL MOVIMIENTO DE LOS VERTEBRADOSEL MOVIMIENTO DE LOS VERTEBRADOSEL MOVIMIENTO DE LOS VERTEBRADOSEL MOVIMIENTO DE LOS VERTEBRADOSLas contracciones musculares por sí mismas no producen

movimiento. En los vertebrados complejos, como el hombre, paraque se produzca desplazamiento es necesario que el músculo estéadherido a un hueso del sistema esquelético, donde se ejerce lafuerza que dará origen al movimiento.

Para que la contracción muscular produzca un movimiento útil,uno de los extremos del músculo debe estar anclado a un huesofijo y el otro a uno móvil. Obviamente, si un músculo estuvieraadherido a dos huesos que se mueven libremente su contracciónserviría sólo para acercarlos.

Los músculos se insertan en los huesos por medio detendones, compuestos en su mayor parte por un tejido conjuntivofibroso blanco, que a su vez están en íntimo contacto con lasuperficie del hueso.

En el brazo, el tendón del músculo bíceps está insertado en loshuesos del hombro, que son relativamente inmóviles; el otroextremo está adherido al radio, uno de los huesos del antebrazo.La contracción del bíceps produce movimiento del hueso móvil,con lo cual el brazo se dobla en el codo.

El esqueleto humano está compuesto por unos doscientoshuesos; este número varía con la edad del individuo. Muchos de

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estos huesos están unidos por medio de ligamentos, formado porun tejido conjuntivo fibroso, blanco y muy duro. Las articulacionesestán lubricadas por un fluido que ellas mismas secretan; el líquidosinovial.

El líquido sinovial, un fluído viscoso de consistencia similar a laclara del huevo, está destinado a reducir la fricción, lubricar y acolcharlas articulaciones durante el movimiento.

Hay muchos tipos de articulaciones en el sistema esquelético,cada una especializada en realizar un trabajo determinado.

Figura 3.9. Relación músculo-hueso

Los músculos ejercen fuerza solamente contrayéndose, esdecir, no pueden "empujar". Para cada músculo, cuya acción es"halar" un hueso en una dirección, debe haber otro adherido almismo hueso que trabaja antagónicamente. Cuando uno de losmúsculos se contrae, el antagónico se relaja. Si ambos músculosse contrajeran simultáneamente podrían destrozar el hueso. Estehecho le asigna al sistema nervioso una tarea adicional; coordinarla actividad muscular, de forma que se produzcan las contraccionesy los relajamientos apropiados.

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Sistema CirculatorioSistema CirculatorioSistema CirculatorioSistema CirculatorioSistema Circulatorio

CAPÍTULO 4

PPPPPara que el cuerpo se mantenga con vida, cada una de suscélulas debe recibir suministro continuo de alimentos y oxígeno ya cada célula se le debe liberar del dióxido de carbono y otrosmateriales generados por el metabolismo celular. Este procesoes ejecutado continuamente, durante toda la vida, por el sistemacirculatorio.

El sistema circulatorio es un circuito cerrado formado por elcorazón, que bombea la sangre y por un conjunto de conductos ovasos sanguíneos. Los vasos transportan la sangre impulsada porla acción cardíaca hacia todas partes del cuerpo y la regresan alcorazón. Se calcula que la longitud de los conductos en el serhumano adulto es de unos 100.000 Kms. Dentro del sistema deconducción se distinguen tres tipos de vasos: las arterias, lasvenas y los capilares.

Un subsistema del aparato circulatorio lo constituye el sistemalinfático que "recoge" el fluido intersticial y lo devuelve a la sangre.

LAS ARTERIASLAS ARTERIASLAS ARTERIASLAS ARTERIASLAS ARTERIASLas arterias son conductos elásticos ramificados que conducen

la sangre oxigenada proveniente del corazón hacia todas partesdel cuerpo. Las conductos están formados por tres capasmusculares, elásticas y concéntricas muy resistentes.


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Instrumentación Biomédica / Sistema Circulatorio

Forman una red, que a medida que se producen más y másramificaciones, se va reduciendo su diámetro. La aorta, con unos 2cm de diámetro y las ramas más pequeñas, las arteriolas con unos0,2 mm.

Las arterias contienen cerca del 20 % del volumen sanguíneo.Cuando se cortan o hieren, la hemorragia es grande y violenta,debido a la alta presión y al hecho de que, por su estructura, lasmembranas no permiten que se "achaten". Con la excepción de laarteria radial en la muñeca y la temporal en las sienes, el organismose defiende de esta eventualidad colocando muy profundamentesus arterias.

La aorta es la de mayor diámetro. Nace del ventrículo izquierdo,da una vuelta como el mango de un bastón e irriga prácticamentetodo el cuerpo, a excepción de los pulmones. Las arteriascoronarias se derivan de la aorta e irrigan el corazón.

La arteria pulmonar nace del ventrículo derecho, se bifurca casidesde su nacimiento en arteria pulmonar izquierda y derecha y llevasangre a los pulmones.

La elasticidad de las paredes arteriales favorece la circulación.Hace que la corriente sanguínea, en lugar de presentarse poroleadas, sea continua. Cada vez que el corazón se contrae envíauna “oleada” de sangre a alta presión a las arterias. En respuesta,éstas se dilatan para luego volverse a contraer, con lo que la sangrerecibe un nuevo impulso. Las dilataciones y contracciones hacenque la corriente sanguínea se convierta de pulsante en casi continua.

Cuando la sangre es impulsada hacia la aorta, se establece unaonda de presión que viaja por las arterias a mucho mayor velocidadque el flujo sanguíneo. Esta onda de presión es fácilmente palpable.La velocidad de propagación de la onda se incrementa con la edad,puesto que las arterias pierden elasticidad; se vuelven más rígidas.

Hace unos quinientos años no se tenía idea de la circulación dela sangre. Esto se evidencia por el nombre dado en aquella épocaa las arterias, que significa conductos de aire. Los anatomistas de laépoca, al encontrarlas sin sangre en los cadáveres, pensaron queestaban destinadas a conducir aire.

En 1550, el médico español Miguel Servet (1511-1553), descubrióque la sangre circula desde corazón a los pulmones y de éstos alcorazón. En 1628, el ingles William Harvey (1578-1657), descubrióque la sangre fluía por todos los órganos del cuerpo. El italiano

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Marcello Malpighi (1628-1694), en 1661, valiéndose del microscopio,descubrió los capilares y determinó cómo se establece lacomunicación entre las arterias y las venas.

LAS VENASLAS VENASLAS VENASLAS VENASLAS VENASLas venas son vasos que transportan la sangre proveniente de

los tejidos hacia el corazón. Poseen paredes más delgadas, menosresistentes e inelásticas. La vénulas son vasos de diámetro muypequeño, ramificadas por todos los tejidos, que se van agrupandopara formar venas de mayor diámetro. Cuando se cortan o se hieren,la sangre brota con lentitud. Sus membranas permiten que seachaten; por lo tanto es relativamente fácil contener las hemorragias.

Las venas cava superior e inferior conducen la sangre a la aurículaderecha, y las cuatro venas pulmonares devuelven la sangre purificada,proveniente de los pulmones, a la aurícula izquierda. La vena coronaria,proveniente del corazón, se vacía directamente en la aurícula derecha.Las venas contienen el 75% del volumen sanguíneo.

Las venas de gran tamaño, especialmente de las extremidadesinferiores, están provistas de válvulas que impiden el retroceso dela sangre por efecto de la gravedad. En las venas profundas de laspiernas, las válvulas se ubican cada centímetro y medio.

Los músculos de las piernas controlan la circulación venosa.Cuando se se mueven las piernas, los músculos comprimen lasvenas y “empujan” la sangre hacia el corazón. Si se permanece depie durante mucho tiempo la acción de bombeo disminuye y puedeacumularse hasta un 20% de la sangre en las piernas. En este caso,algunas personas acusan una disminución del aporte de oxígeno ynutrientes al cerebro que les ocasiona vértigos o desmayos.

Por soportar tensiones continuas, las válvulas pueden llegar adeteriorarse y no cerrar adecuadamente. Las venas secongestionan por la sangre que se mueve con lentitud, ceden a lapresión y se ensanchan. Esta condición, conocida como venasvaricosas, se caracteriza por producir hinchamiento, picazón, dolor,sangrado, úlceras y hasta coágulos en las piernas.

LOS CAPILARESLOS CAPILARESLOS CAPILARESLOS CAPILARESLOS CAPILARESLos capilares son vasos muy delgados de tamaño microscópico

que comunican las ramificaciones de las arteriolas con las vénulas.Contienen cerca del 5 %del volumen sanguíneo.

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A través de su delicada membrana, constituida por una sola filade células, se realiza el intercambio de sustancias entre la sangre ylas células de los tejidos. Cuando la sangre fluye por los capilaresse transforma de sangre arterial, muy oxigenada, en sangre venosa,poco oxigenada. En este proceso, el oxígeno y los alimentos sonaportados por la sangre a los tejidos, mientras que el dióxido decarbono, el vapor de agua, el ácido úrico y otros desechos, sonvertidos en ella.

Cuando la sangre fluye en los capilares pulmonares, setransforma de sangre venosa en arterial; en este proceso se absorbeoxígeno y se libera dióxido de carbono.

Los capilares son tan abundantes que basta pincharseligeramente para romper varios de ellos y provocar la salida de lasangre. La presión promedio en su interior es de unos 30 mm deHg. En ellos "cae" casi toda la presión arterial.

La distribución de la sangre en las arterias, las venas y losdiversos órganos está sujeta, en cierto modo, a la actuación delsistema nervioso. Existen nervios que producen vasodilatación yotros que producen vasoconstricción. Por medio de estemecanismo, el sistema nervioso incrementa o disminuyenotablemente el aporte la sangre en los distintos órganos.

Las emociones, como la alegría, vergüenza o cólera, producenvasodilatación; las mejillas se tornan rojas. En cambio, la palidez,debida al miedo, es producto de la vasoconstricción de los capilaresde la cara. Algunos medios físicos, como el calor o el frío, tambiénalteran la distribución de la sangre.

EL EL EL EL EL CORAZÓNCORAZÓNCORAZÓNCORAZÓNCORAZÓNEl corazón es un órgano muscular del tamaño de un puño que

se encuentra suspendido en el centro del tórax, entre lospulmones. En el adulto pesa unos 400 gramos. Se une al esternónpor medio de ligamentos y apoya su parte inferior en el diafragma.Tiene cuatro cavidades: dos superiores y dos inferiores; lasaurículas y los ventrículos, respectivamente.

Es una excelente "minibomba". Con sus potentes y rítmicascontracciones impulsan la sangre por la aorta a la velocidad deunos 440 mm/seg. La velocidad disminuye gradualmente hasta 1mm/seg en los capilares.

Esta maravillosa minibomba puede mantener la vida por más de

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100 años sin ser reparada. Todos los días late unas 100.000 veces.Bombea aproximadamente 70 mililitros de sangre por latido, lo queequivale a 4,7 litros por minuto, 282 litros por hora, 6,8 metroscúbicos por día y 150.000 metros cúbicos en sesenta años. Elequivalente a una piscina de 100 por 100 metros de superficie y 15metros de profundidad.

Esta enorme capacidad de bombeo la obtiene de latransformación de la energía química en mecánica, originada por lacontracción de las células cardíacas. La eficiencia de conversióndel corazón no ha sido igualada por máquina alguna.

El bombeo cardíaco produce ciertos ruidos que se pueden oírpor medio del estetoscopio. El primer ruido del ciclo cardíaco esproducido por el cierre brusco de las válvulas mitral y tricúspide, alinicio de la sístole ventricular; el segundo, es causado por el cierrede las válvulas aórtica y pulmonar, al final de la sístole ventricular.Durante la diástole se percibe un tercer ruido, especialmente enindividuos jóvenes, producido por el rápido llenado ventricular.

El corazón está dotado de automatismo, es decir, late sin laintervención de nuestra voluntad unas 70 veces por minuto. Sufrecuencia está influenciada por el sistema nervioso; lasemociones, la actividad física, la fiebre u otros estímulos. Si lafrecuencia cardíaca es inferior a su valor normal se le llamabradicardia; si es superior se le llama taquicardia.

El corazón está formado por dos bombas que operan en paralelo,pero el flujo sanguíneo las recorre en serie. La bomba de la derechao "corazón derecho", impulsa la sangre a los pulmones para que seoxigene, luego regresa a la bomba de la izquierda o "corazón izquierdo"que impulsa la sangre al resto del cuerpo. El caudal, o el volumen desangre por unidad de tiempo, que circula por el corazón izquierdo ypor el derecho es igual, puesto que están en serie.

Las vías por donde circula la sangre en su ida y vuelta a lospulmones se denomina circulación pulmonar. El resto de las vías, quesuministra oxígeno y alimentos al resto de los tejidos, se denominacirculación mayor.

La circulación mayor forma un circuito de alta resistencia, conelevado gradiente de presión entre las arterias y las venas, dondeel corazón izquierdo puede ser visto como una bomba de presión.En cambio, la circulación pulmonar se caracteriza por presentar uncircuito de baja resistencia, con bajo gradiente de presión entre

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las venas y arterias, donde el corazón derecho puede ser vistocomo una bomba volumétrica. Por ello, el corazón izquierdo esmás grande y de construcción muscular más robusta que el derecho.

El músculo cardíaco, llamado miocardio, está formado por fibrasque responden a señales eléctricas y neumáticas. Es un músculoestriado que contiene una red abundante de capilaresindispensables para cubrir sus necesidades energéticas. Formacuatro compartimentos o cavidades, dos superiores llamadas aurículaizquierda y aurícula derecha separadas por el tabique auricular y dosinferiores llamadas ventrículo izquierdo y ventrículo derecho separadospor el tabique ventricular.

Una membrana doble, el pericardio, envuelve totalmente elcorazón. Entre las dos hojas del pericardio se encuentra un líquidoseroso que facilita su movimiento. El endocardio tapiza sus cavidadesinternas.

La acción de bombeo se realiza cuando los músculos quecircundan cada cavidad se contraen y expulsan parcialmente lasangre. El corazón está dotado de válvulas que permiten el pasode la sangre en el momento de la contracción pero impiden suretroceso.

La función principal de bombeo la efectúan los ventrículos. Lasaurículas actúan como cámaras receptoras y depósito de sangre.La función de bombeo de las cuatro cámaras está gobernada poruna serie de eventos eléctricos muy bien coordinados.

Los eventos eléctricos son distribuidos en el miocardio pormedio de un sistema de conducción. El sistema de conducción estáformado por una masa muy pequeña de células especializadas,denominadas marcapasos, capaces de producir expontaneamentepotenciales de acción. Cada latido del corazón es desencadenadopor estas células. En ausencia de inervación externa, el músculocardíaco se contrae rítmicamente debido a su presencia.

Si se considera el corazón como una fuente de energíabioeléctrica, es de suponer que la energía de esa fuente estádirectamente relacionada con la masa muscular, es decir, el númerode células activas del miocardio. Por ser las paredes del ventrículoizquierdo casi tres veces más gruesas que las del ventrículo derechoy mucho más gruesas que las paredes de las aurículas, cabe esperarque las células de las paredes del ventrículo izquierdo son las quemás aportan a la formación de los potenciales externos al corazón.

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LAS CÉLULAS MARCAPASOSLAS CÉLULAS MARCAPASOSLAS CÉLULAS MARCAPASOSLAS CÉLULAS MARCAPASOSLAS CÉLULAS MARCAPASOSEl miocardio, funcionalmente se divide en músculo auricular y

músculo ventricular, ambos eléctricamente aislados por el anillofibroso. El músculo auricular y el ventricular tienen como punto decontacto el nodo aurículo-ventricular o nodo AV, formado por célulasmarcapaso. La figura 4.1 esquematiza este sistema.

Figura 4.1. Disposición del anillo fibroso y nodo AV en el miocardio.

El tejido marcapasos se caracteriza por tener el potencial demembrana inestable; sus células tienen la particularidad dedespolarizarse espontáneamente. Cuando están polarizadas, enlugar de tener un valor sostenido constante, tienden a “dejar filtrar”las cargas en un sentido y otro de la membrana, por lo que elvoltaje varía continuamente. Cuando alcanza el potencial umbralse produce una nueva contracción. La frecuencia con la cual serepite cíclicamente dicho proceso determina el número decontracciones por minuto.

Por el contrario, cuando las células musculares esqueléticasestán polarizadas, el voltaje sobre su membrana es constante. Lacontracción en los músculos esqueléticos es de solamente unos5ms y no tienen un estado refractario. Si el esfuerzo es prolongado,la fibra del músculo se contrae cada 5ms mientras se mantenga elesfuerzo. En cambio, en el corazón deben pasar por lo menos 250ms antes de contraerse de nuevo. Este es el tiempo necesariopara que las cavidades cardíacas pueden vaciarse casi totalmente.

Debido a la inestabilidad propia del tejido cardíaco, se observaque el corazón continúa latiendo aún después de seccionarse

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todos sus nervios. Inclusive si se corta en fragmentos, éstosseguirán latiendo. Los latidos son debidos precisamente a la accióndel tejido marcapasos; tejido especializado que puede iniciarpotenciales de acción iterativos. El tejido marcapasos forma elsistema de conducción que normalmente propaga los impulsos portodo el corazón.

En el músculo cardíaco, a diferencia del esquelético, existe unafuerte unión entre las células. Esta unión hace que la acción de unaunidad contráctil sea transmitida a las células vecinas. Las unionesproveen “puentes de baja impedancia” que facilitan la propagaciónde la excitación de una fibra a otra. Se crea un estímulo eléctrico ofrente de onda que se extiende por todo el corazón. A estascélulas se les conoce como células sinticiales.

Cuando la frecuencia es alta, el músculo cardíaco tiene la propiedadúnica de contraerse y repolarizarse más aprisa. Si las pulsacionesaumentan de 70 a 200 por minuto, la duración de la sístole se reducea la mitad y la diástole se acorta de 600 ms a 140 ms.

Hasta cerca de 180 pulsaciones por minuto el gasto cardíaco,o sea, la cantidad de litros por minuto que bombea el corazón,aumenta con la frecuencia. Para frecuencias mayores, el corazónno tiene tiempo para llenarse completamente. En su contracciónexpulsa menos sangre y decrece el gasto cardíaco, con lo cualaparecen síntomas de insuficiencia.

ACTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CORAZÓNACTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CORAZÓNACTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CORAZÓNACTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CORAZÓNACTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CORAZÓNLa excitación del corazón no procede directamente del sistema

nervioso central como sucede en la mayor parte de las inervacionesmusculares. El sistema de conducción cardíaco se muestra en lafigura 4.2. Existe un foco celular en la pared posterior de la aurículaderecha que se comporta como un marcapasos natural, que dainicio al proceso de contracción. A ese foco celular, que depolarizael corazón e inicia en forma espontánea a intervalos regulares laacción de bombeo, se le llama nodo sinusal o sinoauricular (SA). Lacontracción provocada por el nodo se extiende primero por laaurícula, donde se propaga en forma similar a una perturbación enel agua.

La despolarización que se origina en el nodo SA alcanza elnodo aurículo - ventricular (AV) 40 ms después. Debido a la bajavelocidad de conducción del tejido que forma este nodo, la

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depolarización alcanza sus ramas unos 110 ms después. Elimpulso eléctrico recorre entonces el haz de His, su ramaderecha e izquierda y sus ramificaciones finales, conocidas comofibras de Purkinje, que recubren el endocardio ventricular.

Las aurículas se contraen casi simultáneamente y 110 msdespués, se contraen casi simultáneamente los dos ventrículos. Lademora de 110 ms, generada por el sistema de conducción, es eltiempo necesario para que la sangre pueda desplazarse de lasaurículas a los ventrículos.

Una vez llenos los ventrículos, se inicia su despolarización yestos se contraen violentamente. El ventrículo derecho impulsa lasangre hacia los pulmones y el izquierdo hacia la aorta.

Cuando el músculo cardíaco está en el periodo de reposo, suscélulas están polarizadas. Los iones están distribuidos de tal formaque la parte interna de la célula es unos 90 mv. negativa respectoa la parte externa. A esta polarización, que se conoce como potencialde reposo, evidentemente representa una energía potencial.

La energía potencial almacenada puede liberarse cuando lascondiciones son propicias. La oportunidad se presenta cuandoespontáneamente el nodo SA inicia la despolarización del miocardioa la frecuencia de unas 70 pulsaciones por minuto.

Figura 4.2. Sistema de conducción del corazón.

En ausencia del nodo SA, el nodo AV provocaríaespontáneamente 60 a 40 ppm, mientras que el tejido cardíaco porsí solo haría que el corazón latiera de 40 a 15 ppm. Es decir, si alcorazón se le suprime el nodo SA que lo hace latir de 70 a 80 ppm,

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quedará latiendo a la frecuencia determinada por el nodo AV que lohace latir de 40 a 60 ppm. Si se suprime también el nodo AV quedaríacontrayéndose de 40 a 15 ppm.

De lo anterior se deduce que el nodo SA es el que normalmentedetermina la frecuencia cardíaca. Es el marcapaso normal del corazón,que provoca las contracciones más frecuentes y que causa estímulosdespolarizantes en el resto de los tejidos, antes de que éstosalcancen a despolarizarse por otros estímulos.

La frecuencia cardíaca, también es controlada por algunos nerviosdel sistema simpático y el nervio vago del parasimpático, que producenrespectivamente su incremento o decremento. Estos nerviosmodifican le frecuencia cardíaca cuando estamos excitados otenemos miedo.

La frecuencia cardíaca también es controlada por un sistema delazo cerrado. El sensor procede de los receptores de presión situadosen la aorta y en el seno carotídeo. Su función, es alterar el efecto delvago cuando cambia la presión en la aorta o en el seno carotídeo. Sila presión sanguínea aumenta, el efecto del vago tiende a reducir lafrecuencia, cuando disminuye el efecto es contrario.

Otro control de lazo cerrado se basa en la detección del retornode la sangre venosa. Cuando el cuerpo está sometido a actividadfísica, debido al movimiento muscular, se produce dilatación periférica.

La dilatación periférica hace que se incremente la sangre venosaque regresa al corazón, y al ser detectada, se incrementa sufrecuencia.

Pequeñas alteraciones de la actividad eléctrica del corazónpueden causar que este órgano deje de bombear eficientemente.

El estudio de los biopotenciales provenientes del músculocardíaco dan pie para el desarrollo de una vasta serie de instrumentoselectrónicos: el electrocardiógrafo, el marcapasos, elcardiotacómetro, el desfibrilador y otros instrumentos de diagnósticoe investigación.

EL CORAZÓN COMO BOMBAEL CORAZÓN COMO BOMBAEL CORAZÓN COMO BOMBAEL CORAZÓN COMO BOMBAEL CORAZÓN COMO BOMBAEl corazón es una bomba muy eficiente. Basa su funcionamiento

en una secuencia de eventos que desencadenan la contraccióndel miocardio. Al final de la diástole, la sangre proveniente de lavenas cava superior e inferior llena el corazón derecho, mientrasque el corazón izquierdo se llena con la sangre proveniente de las

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venas pulmonares. Las válvulas mitral y tricúspide, situadas entrelas aurículas y los ventrículos, se abren, mientras que las válvulasaórtica y pulmonar se cierran. La sangre fluye al corazón durantetoda la diástole, llenando las aurículas y los ventrículos. La presióndentro de las cavidades cardíacas es baja.

Durante la sístole auricular la contracción de las aurículas impulsaun 30% de sangre adicional hacia los ventrículos.

Al inicio de la sístole ventricular, se cierran las válvulas mitral ytricúspide, el músculo ventricular se contrae en forma violentadurante unos 50 ms, la presión intraventricular aumenta al máximo.

Cuando la presión en el ventrículo izquierdo sobrepasa lapresión existente en la aorta, que en condiciones normales es deunos 80 mm Hg, por diferencia de presión se abre la válvula aórtica.Análogamente, cuando la presión del ventrículo derecho sobrepasala presión existente en la arteria pulmonar, que es de unos 10 mmHg, se abre la válvula pulmonar.

En reposo y en condiciones normales, la presión máxima en elventrículo izquierdo alcanza unos 120 mm Hg y en el ventrículoderecho unos 25 mm Hg. Cuando las válvulas aórtica y pulmonarse abren, se inicia la fase de expulsión ventricular. El volumen desangre expulsado por cada ventrículo es de 70 a 90 ml, es decir,el 65% de la capacidad volumétrica ventricular. Al final de la sístole,unos 50 ml de sangre permanecen en cada ventrículo. La fracciónde expulsión es un buen índice de la función ventricular.Evidentemente, los valores anteriores pueden variar de unindividuo a otro.

Una vez que el músculo ventricular está completamentecontraído, buena parte de la sangre ha sido bombeada. La presiónventricular decae y las válvulas aórtica y pulmonar se cierran. Cuandola presión ventricular es inferior a la auricular se abren las válvulasaurículo-ventriculares y los ventrículos se llenan de nuevo.

SECUENCIA DE LA CIRCULACIÓNSECUENCIA DE LA CIRCULACIÓNSECUENCIA DE LA CIRCULACIÓNSECUENCIA DE LA CIRCULACIÓNSECUENCIA DE LA CIRCULACIÓNLa sangre, después de circular por los capilares, donde cede

oxígeno y nutrientes y absorbe anhídrido carbónico y otrosdesechos, llega a la aurícula derecha por medio de dos gruesasvenas; la cava superior y la cava inferior (Fig. 4.3). Estas dos venasllenan la aurícula derecha (AD) y el ventrículo derecho (VD).

Luego, el corazón se contrae e impulsa la sangre hacia los

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pulmones por medio de la arteria pulmonar. En los pulmones, seelimina buena parte del dióxido de carbono y se reoxigena. Lasangre oxigenada, regresa a la aurícula izquierda (AI) por medio dela vena pulmonar y la llena la aurícula y el ventrículo izquierdo (VI).En seguida el corazón se contrae e impulsa la sangre por la arteriaaorta que la distribuye por el resto del cuerpo. La sangre regresaal corazón por medio de la venas cava.

Figura. 4.3. Sistema cardiopulmonar

El intercambio de gases se efectúa en los alvéolos, que sondiminutos sacos en los extremos del árbol bronquial. La red capilardel tejido alveolar permite el intercambio de gases entre el airecontenido en los alvéolos y las células sanguíneas que se desplazandentro de los capilares. En los diminutos capilares, las célulassanguíneas pasan en fila, una a la vez, y entran en contacto con ladelicada membrana semipermeable que separa el saco alveolar,donde se efectúa la difusión.

La difusión, es un proceso físico mediante el cual sustanciascomo el oxígeno y dióxido de carbono atraviesan una membranasemipermeable, desde una zona de alta concentración a otra demenor concentración.

Las células sanguíneas que atraviesan los capilares tienen muypoca cantidad de oxígeno y gran cantidad de dióxido de carbono.Como resultado, el dióxido de carbono pasa por difusión a través

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de la membrana hacia el aire de los alvéolos, que es menos rico endióxido de carbono. De forma similar, el oxígeno contenido en elaire de los alvéolos atraviesa la membrana para pasar a las célulassanguíneas. De esta manera, la sangre se libera del exceso dedióxido de carbono que se exhala y se enriquece de oxígeno.

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Recolección de SeñalesRecolección de SeñalesRecolección de SeñalesRecolección de SeñalesRecolección de SeñalesBioeléctricasBioeléctricasBioeléctricasBioeléctricasBioeléctricas

CAPÍTULO 5

LAS PRIMERAS MEDICIONESLAS PRIMERAS MEDICIONESLAS PRIMERAS MEDICIONESLAS PRIMERAS MEDICIONESLAS PRIMERAS MEDICIONESEEEEEl místico y físico austríaco Franz Mesmer, en 1775, anunció el

descubrimiento de una fuerza que “penetraba el universo", a la quellamó magnetismo animal. El inexplicable concepto de Mesmerreferente a esta fuerza misteriosa, propia de los animales y de loshumanos, fue ridiculizada por sus colegas, los físicos de la época,de forma tal que se vio forzado a deponer su floreciente teoría.

Sin embargo, sólo 16 años más tarde, el fisiólogo Luigi Galvani(1737-1798), afirmaba que existía una fuerza misteriosa queoperaba en animales y humanos, a la que llamó electricidad animal.Según su teoría, llamada Galvanismo o Reacción Galvánica, el cerebrode los animales produce electricidad que es transferida a losnervios, acumulada en los músculos y utilizada para producirmovimiento de los miembros.

Esta teoría recorrió los claustros universitarios europeos afinales del siglo XVIII y pricipios del siglo XIX. Iclusive se llegó apensar que por medio de la electricidad se podían liberar lasmisteriosas fuerzas vitales.

Años más tarde, un amigo de Galvani, Alessandro Volta (1745-1827), colocó dos metales distintos en ambos lados de su lengua ytuvo una sensación muy desagradable. Descubrió, por medio de sulengua, evidencias de la electricidad animal anunciada por su amigo.

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Instrumentación Biomédica / Recolección de señales bioeléctricas

Hace muy pocos siglos, la electricidad era algo absolutamenteinconcebible. No podíamos imaginar una cosa que no era sólida, nilíquida, ni gaseosa, que no ocupa espacio, que no es posible ver,ni oir, ni tocar, pudiera formar parte de la naturaleza. Para explicarsu presencia surgieron ideas cargadas de fantasía, colindantescon la magia.

Tales de Mileto, 600 años antes de Cristo, observó que algunasbriznas de hierba seca eran atraídas por un trozo de ámbar que anteshabía sido frotado en su túnica. La palabra "electricidad", proviene delvocablo elektron, nombre dado por los griegos al ámbar amarillo, dedonde se deriva el nombre de tan singular forma de energía.

Los romanos, aplicaban electroterapia cuando sumergían losparalíticos en lagunas donde abundaban "peces eléctricos", a fin deque recibieran descargas que consideraban benéficas.

Con la invención del galvanómetro, instrumento ideado para medirla corriente eléctrica, esta nueva fuerza pudo ser medida. En losaños siguientes, con el avance de la tecnología, especialmentemediante el desarrollo de los amplificadores, se pudieron observar,medir, clasificar, analizar y registrar los "pequeños" potencialescorporales. Este avance tecnológico, contribuyó a que se entendieranmuchos fenómenos biológicos.

Desde los tiempos de Galvani, se sabía que en los músculoshabia potenciales eléctricos. Entonces, parecía natural suponer queal latir el corazón, pudieran aparecer los mismos potenciales. Elproblema radicaba en cómo medir las pequeñas señales que allí seoriginaban. La solución se presentó con el aporte del fisiólogoholandés Willem Einthoven (1860–1927) quien, en 1903, desarrollóel primer galvanómetro de hilo.

Dicho instrumento consiste en un delgado conductor que pasapor un campo magnético. La corriente que fluye por del conductorlo obliga a desviarse en forma perpendicular al campo.

Las primeras mediciones importantes de los biopotencialescardíacos fueron realizadas por los científicos Sir Thomas Lewis(1881-1945) y Willem Einthoven (1860-1927) en 1912. Ellos utilizaronel galvanómetro de hilo y electrodos de inmersión. Estos electrodos,estaban formados por un recipiente que contiene una soluciónsalina, donde el paciente introducía un pie o una mano.

Para la época, el galvanómetro de Einthoven y los electrodosde inmersión permitieron observar las variaciones rítmicas del

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potencial eléctrico del corazón. El resultado de estasinvestigaciones fue el electrocardiógrafo. Por su aporte a estedesarrollo, Einthoven fue galardonado con el premio Nobel demedicina y fisiología en 1924.

En 1917, los electrodos de inmersión fueron sustituido porelectrodos de placa metálica, que permiten al paciente permaneceren posicion más conveniente durante el registroelectrocardiográfico.

MEDICIONES BIOLÓGICASMEDICIONES BIOLÓGICASMEDICIONES BIOLÓGICASMEDICIONES BIOLÓGICASMEDICIONES BIOLÓGICASLos instrumentos médicos son empleados para ayudar al médico

a obtener un diagnóstico acertado, para el reconocimiento médicoordinario, para la evaluar el estado físico, para la vigilar los signosvitales durante las operaciones y en los cuidados intensivos, y parala adquirir datos con fines de diagnóstico e investigación.

La instrumentación electrónica, que basa su funcionamiento enla recolección de señales bioeléctricas, debe detectar, registrar ymostrar en alguna forma la actividad eléctrica buscada. Alrededorde esta disciplina se han desarrollado una cantidad de instrumentosdestinados a la investigación y al diagnóstico.

Sin embargo, cuando se trata de obtener respuestas de loscomplejos sistema que integran los seres vivos, se encuentra quepara un mismo estímulo las respuestas no son las mismas, varían deun individuo a otro, e inclusive en el mismo individuo, si el estímulose suministra en momentos diferentes. Los ingenieros destinados atrabajar con biosistemas deben "acostumbrarse" a operar con losamplios márgenes de tolerancia, propios de estas disciplinas.

Los complejos sistemas del cuerpo humano son, entre otros,eléctricos, mecánicos, térmicos, químicos, hidráulicos, ópticos,acústicos y neumáticos que interactúan entre sí. La estimulaciónde un sistema, generalmente afecta de alguna manera a todos losdemás, a veces en forma imperceptible. Por estas razones, la relacióncausa / efecto es bastante difícil de definir.

A estas complejidades, se anexan otras variables casiincomprensibles aportadas por “el poderoso computador”, el cerebro,que hacen que todas los parámetros estén influenciadas y alimentadaspor abstracciones tales como; los sentimientos, el estado de ánimo,el amor, el odio, la disposición, las ganas o el desgano.

El simple hecho de andar, cuyo control procede de los centros

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más elevados del cerebro, implica conocer la posición espacial delos miembros. Dicha información, procedente de los músculos yarticulaciones, llega al cerebro por las vías sensoriales. El cerebro,responde enviando “instrucciones” por las vías motoras paracontrolar los músculos. Además, existe una estrecha colaboraciónentre el sistema nervioso, los ojos y el órgano de equilibrio delos oídos, que en su conjunto se realimentan y hacen que seefectúe la marcha correctamente. Si cualquiera de estos sistemasfallara, la marcha sería errática o imposible.

Los instrumentos empleados para evaluar las variablesbiológicas están destinados a medir, modificar y presentar losresultados para su interpretación y evaluación. No debenexponer al paciente al dolor o peligros innecesarios y sin violarcondiciones higiénicas, morales, legales y éticas.

Algunas de las mediciones en los seres vivos pueden realizarsecon gran facilidad; como la determinación de la presión arterial.Otras, pueden ser más complicadas y riesgosas; como la medida dela presión tomada directamente en las cavidades cardíacas.

Uno de los problemas frecuentemente encontrado es el accesoal lugar adecuado para colocar el transductor. Por ejemplo, si setrata de determinar la actividad neuroquímica del cerebro, es muyriesgoso colocar el transductor en el lugar apropiado. Cuando lavariable a medir es inaccesible, se intentan hacer medidas indirectasteniendo en cuenta las limitaciones que estas involucran.

Las medidas biológicas pueden efectuarse in vivo o in vitro. Lasmedidas in vivo son las que se realizan sobre o dentro de unorganismo vivo, como la toma de la presión arterial o un cateterismo(introducción de un catéter en una cavidad del paciente). En lasmedidas in vitro, se toman muestras y se analizan fuera del cuerpo,por ejemplo, el análisis de orina o el despistaje del cáncer.

LOS TRANSDUCTORESLOS TRANSDUCTORESLOS TRANSDUCTORESLOS TRANSDUCTORESLOS TRANSDUCTORESLos transductores son dispositivos que convierte una forma

de energía en otra. Transforman algún parámetro fisiológico, comoel voltaje, la presión, la temperatura, la concentración química, lavelocidad de desplazamiento, en señales eléctricas.

El transductor establece el contacto entre el paciente o susmuestras y el instrumento de medida. Las señales utilizadas por losinstrumentos médicos generalmente provienen de algún transductor.

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Alvaro Tucci R.

Un transductor piezoeléctrico transforma la energía mecánica.El micrófono convierte la energía sonora. El fotodiodo yfototransistor convierten la energía luminosa. Las termocuplas y lostermistores transforman la energía térmica. Algunas propiedadesquímicas, como el pH o el contenido de oxígeno en la sangre,pueden ser medidos con transductores que convierten la energíaquímica en señal eléctrica.

En la conversión se deben alterar lo menos posible losparámetros del fenómeno que se está midiendo. Así, una cornetadebe reproducir con mínima distorsión los ruidos cardíacos.

La señal eléctrica proveniente del transductor es generelmenteacoplada a un circuito electrónico, como un puente de Wheatstoneo un amplificador diferencial. Luego es procesada para cumplir conlos requerimientos de la medida. Podría, por ejemplo, seramplificada, digitalizada o convertida en una señal oscilatoria.

Finalmente, la señal debe producir resultados inteligibles yfácilmente percibidos por el médico o el operador del instrumento.Estos resultados podrían ser acústicos o visuales.

Frecuentemente es necesario conservarlos para uso posterior.La tendencia es digitalizarlos y almacenarlos en una memoria oregistrarlos en papel, como en el electrocardiograma. Las imágenesfotográficas, producidas con las recientes tecnologíastomográficas, permiten conservarlas en la memoria del equipo oser enviadas via internet a otros destinos.

Todas las medidas, y con más razón las efectuadas en seresvivos, son afectadas por la presencia del transductor. En lossistemas biológicos la alteración provocada puede ser significativa.Por ejemplo, la presencia del transductor para medir la presiónparcial de oxígeno en la sangre altera muy poco su verdadero valor.Sin embargo, el intento de medir los potenciales electroquímicosen una célula viva, implica que ésta sea penetrada por unmicroelectrodo. El intento altera su funcionamiento o puedematarla, por lo que cabe esperar que los verdaderos potencialesno son exactamente los leídos.

Inclusive, los efectos psicológicos son capaces de alterar losresultados de la lectura. Tal es el caso de los pacientes quepresentan mayor tensión arterial en los consultorios médicos.Por este motivo, para no causar alteraciones o miedo excesivo,los transductores deben tener presencia agradable. Su colocación

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no debe producir dolor o incomodidad innecesaria, deben serdiseñados siguiendo estrictas normas de seguridad, para asíminimizar los riesgos del paciente y del personal operario.

En algunas medidas fisiológicas, el transductor cumple dosfunciones: suministra un estímulo y mide la respuesta. Para lamedida de la presión intraocular se “dispara” un chorro de aire enel globo ocular y se mide su deformación; o cuando se estimulaun nervio y se observa la respuesta del músculo con él asociado.

LOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLos electrodos son dispositivos que se colocan en contacto

con el cuerpo con la intención de "recoger" algún tipo de señaleléctrica producida por la actividad del sistema nervioso y muscular.

Los biopotenciales, diminutos voltajes presentes en todoorganismo vivo, son causados por la actividad electroquímica deuna simple célula o la suma de la actividad de un gran número deellas, como los provenientes de un músculo o del cerebro.

Para la medida de los biopotenciales, es necesario disponer dealgún tipo de electrodo que actúe como interface entre el cuerpo yel instrumento de medida. Cuando se realizan estas operaciones,necesariamente, cierta corriente fluye por el circuito de medida.

Los electrodos cumplen además la función de transducción:convierten la corriente iónica en corriente de electrones. Paraclarificar estos conceptos, se repasarán brevemente algunascaracterísticas de las soluciones.

Desde un punto de vista electroquímico, los cuerpos vivospueden considerarse como soluciones contenidas en los órganoso en el cuerpo mismo. Si estas soluciones están en contacto condos electrodos alimentados por una fuente externa de potencialeléctrico, un flujo de corriente circula por el espaciointerelectródico. Tambien sucede que los tejidos pueden actuacomo fuente de energía eléctrica y suministrar corriente que fluyedesde el espacio interelectrodico hacia los electrodos.

En este caso, el efecto electroquímico depende de la naturalezay composición de la solución, del material, del tamaño y calidad delcontacto de los electrodos, de la temperatura y de las propiedadesdel circuito eléctrico externo.

Los electrodos son dispositivos de contacto que interaccionancon las soluciones y “recogen” las señales de las células, o de la

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Alvaro Tucci R.

actividad de un conjunto de ellas. Sin embargo, hay que observarque los potenciales generados no debidos al flujo de electrones,sino generados por corrientes iónicas.

La medida de estos potenciales requiere que sean convertidosen señales eléctricas. Los electrodos son los dispositivosencargados de esta conversión, a cuya teoría se han dedicadomuchos libros. La comprensión de la teoría bioquímica asociada a sufuncionamiento, ha contribuido al diseño de instrumentoselectrónicos más estables, libres de ruido y capaces de reproducirseñales inalteradas a lo largo de su operación.

La transducción se genera en el electrolito, cerca de la superficiedel electrodo. El electrolito, formado por una solución, pasta o gel,establece el contacto entre el cuerpo y la superficie del electrodo.Puede ser también el mismo fluido contenido en los tejidos osimplemente la transpiración acumulada bajo la superficie del electrodo.

En algunas aplicaciones se utilizan electrodos inertes, que porser elaborados con metales nobles, no producen reaccionesquímicas con el electrolito que pudieran afectar los resultados. Elmás conocido es el electrodo de platino, aunque a veces se empleanotros metales como el oro o la plata.

En otras circunstancias, se emplean electrodos hechos de algúnmaterial que entra en equilibrio químico con los iones portadoresde la corriente. El potencial del electrodo se relaciona entoncescon la concentración de ion correspondiente.

Figura 5.1. Modelo de interface del electrodo superficial metal–electrolitoy perfil de distribución de las cargas

130


A A + ze–z

–

C C + ze–z

+

El electrolito puede ser considerado como una solución que sedisocia en iones. La interface electrodo–electrolito, así como ladistribución de cargas, es esquemáticamente ilustrada en la figura 5.1.

La corriente neta que atraviesa el electrolito está compuesta porcationes C

+ y aniones A

–, mientras que la corriente que circula por

los electrodos está compuesta por electrones. No hay electroneslibres en el electrolito ni aniones o cationes en los electrodos. Porlo tanto, la reacción química en la interface convierte la corrienteiónica en el electrolito en corriente de electrones en el metal.

Una de las reacciones es la oxidación de los átomos delelectrodo metálico:

...............................(5.1)

donde z es la valencia del átomo. En consecuencia, el campoeléctrico rechaza los electrones hacia la izquierda del metal eimpulsa los iones hacia la derecha en el electrolito.

Otra reacción es la oxidación de los aniones en la interfaceelectrodo–electrolito:

................................(5.2)

El anión al oxidarse se convierte en un átomo neutro, entregauno o más electrones libres que son absorbidos por el metal. Losátomos neutros se alejan de la interface por efecto de difusión.

Ambas reacciones son reversibles, es decir, también seproduce reducción en sentido contrario, de derecha a izquierda.

Cuando la corriente fluye del electrodo al electrolito, domina lareacción de oxidación. Si la corriente fluye en sentido contrario, lareacción dominante es la reducción. Cuando no existe flujo decorriente en la interface, estas reacciones todavía ocurren, pero lareacción de oxidación se iguala con la de reducción.

Por lo tanto no existe transferencia neta de cargas a través dela interface.

EL POTENCIAL MEDIO DE CELDA (Ec)EL POTENCIAL MEDIO DE CELDA (Ec)EL POTENCIAL MEDIO DE CELDA (Ec)EL POTENCIAL MEDIO DE CELDA (Ec)EL POTENCIAL MEDIO DE CELDA (Ec) Debido a que la mayoría de los metales poseen electrones

libres o con enlaces muy débiles, son buenos conductores deelectricidad. Cuando un electrodo metálico se sumerge en unelectrolito, algunos de estos electrones se transfieren a la solución

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Alvaro Tucci R.

y "dejan atrás", en la superficie del metal, iones positivos. Estatransferencia de cargas continúa hasta alcanzar el equilibrioeléctrico. Por ello, el electrodo queda cargado respecto al electrolito.

En condiciones de equilibrio, se crean dos capas de cargas enla interface; la capa más cercana al metal de una polaridad, y la capacercana al electrolito de polaridad opuesta. Entre una capa y otrase establece una diferencia de potencial que se llama potencialmedio de celda (Ec), que en un electrodo de plata es de 0,80 voltios.

Si un electrodo de cobre se coloca dentro de la misma solucióndonde está el electrodo de plata, también perderá electrones y seestablece un potencial medio de celda correspondiente al cobrede 0,34 voltios. El potencial entre el electrodo de plata y el decobre será su diferencia, es decir, 0,46 voltios. Esta diferencia depotencial es la que hace posible la fabricación de las pilas.

En la práctica, no es posible medir el potencial medio de celda deun solo electrodo, ya que no se dispone de un punto de referenciadonde conectar el segundo polo del voltímetro. Por tal razón, sedebe crear un segundo electrodo. En este caso, como el segundoelectrodo tiene también potencial medio de celda, la lectura indicarála diferencia entre los dos potenciales, tal como sucede al introducirseun electrodo de plata y otro de cobre en la misma solución.

Para normalizar las lecturas, se conviene en medir el potencialmedio de celda de diferentes materiales respecto a un electrodode referencia internacionalmente adoptado; el electrodo dehidrógeno. Consiste en una superficie de platino, especialmentepreparada, sumergida en una solución ácida por donde circulanburbujas de gas hidrógeno. Los iones de hidrógeno se difunden ycrean una interface. El cable del electrodo de hidrógeno se conectadirectamente a la superficie de platino.

El potencial medio de celda de dicho electrodo, bajo ciertascondiciones que se obtienen fácilmente en el laboratorio, es pordefinición igual a cero.

El electrodo de hidrógeno presenta dos inconvenientes: debeser alimentado continuamente con burbujas de hidrógeno y paraalgunas determinaciones, no es lo suficientemente estable. Poreso, se utiliza en aplicaciones muy especiales y es reemplazadopor otros tipos de electrodos.

La más importante característica del electrodo de referencia es suestabilidad. Su potencial debe ser estable e insensible a los cambios

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que pudieran ocurrir en la composición de la solución donde seencuentra. El electrodo de plata-cloruro de plata y el electrodo decalomelanos, conocido también como electrodo de cloruro mercurioso,son dos tipos muy empleados por ofrecer estas características.

Para medir el potencial medio de celda de un electrodo, se colocaen la misma solución donde se encuentra el electrodo de referenciay se mide la diferencia de potencial por medio de un electrómetroo un voltímetro de muy alta impedancia de entrada.

El potencial medio de celda a 25ºC de algunos materiales yaleaciones más utilizadas en la fabricación de electrodos, junto conel proceso electrónico de oxidación/reducción que ocurre en susuperficie, se muestran en la tabla 5.1. La polaridad del potencial esreferida al electrodo de flujo de hidrógeno.


Material Reacción en el electrodo PotencialMaterial Reacción en el electrodo PotencialMaterial Reacción en el electrodo PotencialMaterial Reacción en el electrodo PotencialMaterial Reacción en el electrodo Potencial(v)(v)(v)(v)(v)

Al - Al3+

+ 3e- - 1,66Zn - Zn

2 + 2e- - 0,76

Cr - Cr3+

+ 3e- - 0,74Fe - Fe

2+ + 2e- - 0,44

Ni - Ni2+

+ 2e- - 0,25Sr - Sr

2+ + 2e- - 0,14

Pb - Pb2+

+ 2e- - 0,13HHHHH22222 ----- 2H2H2H2H2H

+++++ + 2e- + 2e- + 2e- + 2e- + 2e- 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Ag + Br - AgBr + e- + 0,10Sn2+ - Sn

4+ + 2e- + 0,15

Ag + Cl - AgCl + e- + 0,22Cu - Cu

2+ + 2e- + 0,34

Cu - Cu+ + e- + 0,52

Ag - Ag+ + e- + 0,80

Au - Au3+

+ 3e- + 1,50Au - Au

+ + e- + 1,68

La teoría establece que si dos electrodos de idéntico tamaño ymaterial se emplean para efectuar una medida fisiológica, el indeseablepotencial medio de celda se anula. Sin embargo, en la práctica estono es estrictamente cierto. El potencial medio de celda varía con eltiempo, la presión, la temperatura y la concentración iónica.

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Alvaro Tucci R.

La diferencia de potencial que se establece entre dos electrodosidénticos colocados en una misma solución, se debe principalmente alas impurezas contenidas en el metal y en el electrolito. Por lo tanto,no debe esperarse una anulación perfecta de los potenciales de celda;siempre existirá un pequeño remanente en presencia de ruido.

POLARIZACIÓN DE LOS ELECTRODOSPOLARIZACIÓN DE LOS ELECTRODOSPOLARIZACIÓN DE LOS ELECTRODOSPOLARIZACIÓN DE LOS ELECTRODOSPOLARIZACIÓN DE LOS ELECTRODOSEl valor del potencial medio de celda, tal como es indicado en la

tabla 5.1, se produce cuando por la interface no circula corriente.Si llegara a circular, el potencial se verá afectado. La diferencia seconoce como tensión sobrepuesta.

La tensión sobrepuesta es debida a la polarización delelectrodo y está formada por tres componentes: la caída detensión en el electrolito, la redistribución de la concentracióniónica y el voltaje de activación.

La caída de tensión en el electrolito es consecuencia de suresistencia óhmica. Cuando la corriente circula entre dos electrodosseparados por un electrolito, se produce una caída de tensión a lolargo de su recorrido.

La caída de tensión es proporcional a la cantidad de corriente, lasección por donde circula y la resistividad del electrolito. Sinembargo, es un error asumir que la caída de tensión en el electrolitoes una función lineal de la corriente.

En aste caso la Ley de Ohm no aplica; se desvía notablementede ella, especialmente para soluciones de bajas concentracion.

La tensión sobrepuesta por redistribución de las concentraciónde cargas iónicas, se debe a la alteración del equilibrio de los ionesen la vecindad de la interface. El paso de la corriente hace que elequilibrio de las cargas existente en esa zona se altere y no secumple el equilibrio entre el proceso de oxidación y reducción,expresado en las ecuaciones 5.1 y 5.2.

El voltaje de activación es el tercer mecanismo que contribuyea formar la tensión sobrepuesta. La circulación de corriente haceque una de las reacciones, la de reducción o la de oxidación, dominesobre la otra. El nivel de la barrera energética a vencer por losátomos, aparece como una diferencia de potencial adicional entreel electrodo y el electrolito, conocido como voltaje de activación.

Los tres mecanismos de polarización son aditivos y se cumple que:Vs = Vr + Vc + Va

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donde: Vs es la tensión sobrepuesta. Vr es la caída de tensión por resistencia óhmica. Vc es la tensión sobrepuesta por la redistribución

iónica. Va es el voltaje de activación.

ELECTRODOS NO POLARIZABLESELECTRODOS NO POLARIZABLESELECTRODOS NO POLARIZABLESELECTRODOS NO POLARIZABLESELECTRODOS NO POLARIZABLESCuando hay circulación de corriente entre los electrodos y el

electrolito, en teoría es posible concebir electrodos idealesperfectamente polarizables y electrodos absolutamente nopolarizables. Los electrodos perfectamente polarizables, sonaquellos en los cuales cuando hay circulación de corriente, las cargasno cruzan la interface electrodo–electrolito. La interface actúa comoun condensador; la corriente que circula es de desplazamiento ynunca atraviesa el aislante.

Los electrodos no polarizables son aquellos en los cuales lacorriente circula libremente a través de la interface, por lo tanto nose produce tensión sobrepuesta.

En la práctica, no es posible fabricar ninguno de los dos tipos deelectrodos, sin embargo, es posible acercarse a ello. Los electrodospolarizables se construyen con materiales inertes, como los metalesnobles, difíciles de oxidar o disolver. La corriente que atraviesa lainterface altera la concentración de sus iones, en consecuencia latensión sobrepuesta se debe principalmente a la redistribucióniónica. El electrodo plata–cloruro de plata (Ag–AgCl ) es uno de losque más se acerca al modelo teórico; es muy empleado por sereconómico, estable y relativamente libre de ruido.

A fin evitar el desgaste por roce de la superficie de contacto,durante el uso y almacenamiento deben tratarse con cuidado.Periódicamente debe limpiarse suavemente con algodón.

Para reducir la interferencia, se acoplan al equipo por mediode cables blindados. El cable blindado tiene la capacitanciadistribuida elevada, puede degradar los tiempos de respuesta dalas rápidas variaciones de potenciales generadas por los músculosy nervios, especialmente si su longitud es grande.

ARTEFACTOSARTEFACTOSARTEFACTOSARTEFACTOSARTEFACTOSEn medicina y biología, el término “artefacto” se refiere a cualquier

señal diferente de la que se quiere medir. Es un término parecido a

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“ruido”, empleado en ingeniería electrónica. Son artefactos, lainterferencia eléctrica, inclusive la generada por la línea, el ruidopropio generado por el instrumento de medida, las variacionesdebidas a cambios de temperaturas, señales captadas por elmovimiento del paciente y en general, cualquier señal inesperadaque se presente ocasionalmente.

Gran parte de los electrodos son sensibles al movimiento. Cuandoel paciente se mueve, inclusive cuando respira, se producen señalesindeseables, a veces difíciles de separar de las que se desean medir.Estas señales pueden ser de tal forma y magnitud que “tapan”completamente la señal de interés. En ciertas aplicaciones,especialmente cuando las mediciones se realizan en niños, se hacenecesario aplicarle anestesia total para poder realizar el estudiocorrespondiente.

TIPOS DE ELECTRODOSTIPOS DE ELECTRODOSTIPOS DE ELECTRODOSTIPOS DE ELECTRODOSTIPOS DE ELECTRODOSPara medir los diferentes biopotenciales se han desarrollado

varios tipos de electrodos. Algunos especialmente diseñados paraadaptarse a ciertas mediciones, otros con buena relación señal-ruido.

Los principales tipos de electrodos se agrupan en trescategorías: superficiales, de aguja y microelectrodos.

ELECTRODOS SUPERFICIALESELECTRODOS SUPERFICIALESELECTRODOS SUPERFICIALESELECTRODOS SUPERFICIALESELECTRODOS SUPERFICIALESLos electrodos superficiales son apropiados para medir

potenciales en la superficie del cuerpo; en aplicacioneselectrocardiográficas (ECG), electroencefalográficas (EEG) oelectromiográficas (EMG).

En general, un electrodo consite en una superficie metálicaconectada al instrumento de madida por medio de un conductor.En la parte inferior se coloca un algodón o una gaza empapada conuna solución salina, o se aplica gel. Se mantienen en contacto conla piel por medio de correas elásticas, por succión o por medio desuperficies adhesivas.

En las primeras mediciones de biopotenciales, los electrodossuperficiales consistían de un pedazo de gasa mojada con soluciónsalina conectada a un conductor. A medida que la solución seevaporaba, la conductividad de la gasa disminuía, alterándose losresultados de las mediciones. Se idearon varios sistemas, como elempleo un contenedor lleno de solución, o sumergir los miembros

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en la solución misma. En vista de las complicaciones, este métodoquedó rápidamente descartado.

Luego se utilizaron los electrodos planos de lámina metálica,similares al mostrado en la figura 5.2a. Para reducir la impedanciaelectrodo–tejido, el electrodo debía limpiarse muy bien antes de serusado, los vellos debía afeitarse y la piel frotarse con algún abrasivohasta que enrojeciera, para luego colocarlo sobre ella firmemente. Apesar de estas precauciones la impedancia seguía siendo alta, locual dificultaba la medida de pequeños biopotenciales.Nótese quemientras más pequeñas son las señales biológicas a medir, más bajadebe ser la impedancia electrodo–piel.

Figura 5.2. Diferentes tipos de electrodos superficiales: (a) electrodo de láminametálica; (b) electrodo desechable; (c) electrodo de succión; (d) electrodo flotante,

(e) electrodo flexible; (f) electrodo activo

Se desarrolló entónces una pasta formada por un compuestosalino que reducía aun más la impedancia, pero no solucionaba elproblema de la evaporación. Se perfeccionaron otros tipos de gel

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Alvaro Tucci R.

o pastas electrolíticas muy estables y electrodos desechables,separados de la piel por el propio gel contenido en una pequeñaconcavidad. Estos desarrollos permitieron efectuar medidas másestables y con menos interferencias.

Cuando se emplean los electrodos superficiales, la señalobservada proviene de una porción relativamente grande de tejido;de millones de células nerviosas o musculares que trabajanconjuntamente. Para evaluar la actividad de pequeñas secciones detejido o de una célula, no es posible emplear electrodos superficiales.

En los modernos centros de salud, se ha generalizado el usode electrodos autoadhesivos desechables, como el mostrado enla figura 5.2b. Estos electrodos, impregnados de gel, son máshigiénicos y fácilmente adosables, con lo que se reduce el tiempoque el personal debe dedicar a su colocación.

Están formados por dos discos concéntricos; uno grande deplástico adhesivo y otro más pequeño colocado en su centro quehace el contacto eléctrico. El electrodo central está recubierto conuna película de cloruro de plata e impregnado con pasta electrolíticaque actúa como electrolito. Para colocar el electrodo esconveniente limpiar y desgrasar la piel sobre la cual se va a aplicar.

Otro electrodo, desarrollado hace muchos años y todavía enuso, es el de succión, mostrado en la figura 5.2c. Consiste en unacopa metálica y un bulbo de succión de goma. La succión crea elvacío suficiente dentro de la copa para mantenerlo adherido a lapiel durante un corto periodo.

Aunque el electrodo es relativamente grande, la superficie decontacto es pequeña; solamente el borde de la copa está encontacto con la piel, su impedancia es relativamente grande y tiendea producir más artefactos que los electrodos metálicos planos. Esempleado en electrocardiografía como electrodo precordial,puesto que puede ser rápidamente desplazado de un lugar a otro.

Los electrodos de placa metálica en contacto directo con lapiel son muy sensibles al movimiento. Cuando el paciente se mueve,se producen cambios de voltaje o artefactos, debido a lasalteraciones en las capas de cargas eléctricas presentes en lainterface. Incluso el más leve movimiento es suficiente para generarartefactos capaces de “ocultar” los potenciales bioeléctricos quese intentan medir.

Los electrodos no polarizables, como el de Ag-AgCl, reducen

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significativamente la sensibilidad al movimiento. Los electrodosflotantes, como el mostrado en la figura 5.2d, son prácticamenteinmune. En ellos se elimina el contacto directo del electrodo con lapiel. La parte metálica es un disco o una bolita de plata recubiertacon cloruro de plata, que entra en contacto eléctrico con la pielsólo a través de la pasta electrolítica contenida en su cavidad.

Cuando el paciente se mueve, la pasta electrolítica permaneceestática respecto al disco metálico, por lo tanto no se alteran lascapas de carga de la interface. El electrodo flotante es estable yadecuado para múltiples usos.

En los electrodos flotantes desechables, la pasta electrolítica estáembebida en una esponja. La esponja está en contacto con la pielpor una cara y por la otra firmemente adherida al electrodo metálico.

Los electrodos flexibles son aquellos que se adaptan a lassuperficies del cuerpo. El contacto con la piel es de mejor calidad,más firme y con mayor área de contacto. Como consecuencia, losartefactos debidos al movimiento del paciente son minimizados.Un tipo de electrodo flexible se muestra en la figura 5.2e. Consisteen un material adhesivo sobre el cual se coloca una malla formadapor finos alambres flexibles de plata. También se fabrican consuperficie de Mylar recubierta con una capa de plata conectada alconductor que lleva la señal al instrumento de medida. La pastaelectrolítica se coloca sobre la malla o el Mylar.

Otro tipo de electrodo flexible es compuesto por siliconamezclada con polvo de carbón. La silicona actúa como aglutinantey el carbón como conductor. Esta combinación produce un materialflexible, conductor y de gran resistencia al uso.

Los electrodos flexibles adquieren especial importancia en ladetección electrocardiográfica o respiratoria de niños prematuros,donde las curvaturas del cuerpo son tan pronunciadas que loselectrodos rígidos harían muy mal contacto.

Los electrodos activos, como el mostrado en la figura 5.2f, sonde desarrollo más reciente. Consisten en un disco metálico sólidode acero inoxidable. En una cara del disco se coloca un amplificadorde muy alta impedancia de entrada, del orden de los 1000 Mohmios,cuya entrada está directamente conectada al disco. La salida delamplificador se conecta al conductor que lleva la señal al instrumentode medida.

El amplificador actúa como convertidor de impedancias. Convierte

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la alta impedancia de entrada de la interface en baja impedancia,adecuada para la transmisión de la señal por el conductor. Elamplificador, adosado al disco metálico, está encapsulado con algúntipo de resina. Es alimentado con una fuente estabilizada que seencuentra en el instrumento de medida.

Frecuentemente, las señales bioeléctricas se transmiten por elmismo conductor que alimenta el amplificador; aparecen comopequeñas variaciones de voltaje sobre ese cable, luego sonmagnificadas por amplificadores diferenciales apropiados.

Los electrodos activos presentan algunos inconvenientes enciertas aplicaciones: La capacidad de la interface puede ser tanpequeña que puede verse comprometidas las respuestas a las bajasfrecuencias, el contacto con la piel produce frecuentes artefactosy el potencial medio de celda puede saturar el amplificador.

En los electrodos activos, la alta impedancia de entrada delamplificador hace que sean muy sensibles a los artefactosgenerados por las interferencias electromagnéticas circundantesy a la electricidad estáticaca. La electricidad estática es generadaprincipalmente por la ropa sintética usada por el personal,especialmente en ambientes muy secos y alfombrados.

Los electrodos utilizados en cirugía son generalmente deltipo desechable. Se fabrican de tamaño y formas diferentes, sonflexibles y se adaptan a la forma del cuerpo, son livianos yconstruidos con sustancias antialérgicas, especialmente aquellosque deben emplearse por largos periodos.

También se han desarrollado electrodos para aplicacionesespecificas. Para usos electroencefalográficos son discos metálicospequeños de unos 6 mm de diámetro, que deben adosarse al cuerocabelludo con pasta electrolítica.

Los electrodos de pinza, para ser colocados en la oreja, seemplean como electrodo de referencia.

El circuito equivalente de los electrodos metálicos acopladoscon pasta electrolítica a un instrumento de medida, se muestra en lafigura 5.3.

140


Figura 5.3. Circuito equivalente de un electrodo de superficie

La impedancia Ze del electrodo es dada por:

Re-arreglando los términos se obtiene:

La distribución de cargas hace que se establezca la diferenciade potencial medio de celda (Ec) en la interface, representado poruna fuente de poder Ec. En serie con Ec se encuentra la impedanciaZe, formada por Re,Ce y Rs.

Ce representa la capacidad del electrodo, Re en paralelo,representa la resistencia por la cual circula la corriente de fuga delcondensador y Rs es la resistencia óhmica de la interface, constituidapor la resistencia de la pasta electrolítica y los conductores.Estaecuación describe bastante bien el comportamiento de un electrodosuperficial. En ella, puede notarse que la impedancia Ze es funciónde la frecuencia. Es comprensible esperar que los elementos queforman el circuito equivalente se alteren cuando el paciente semueve. Las resistencias y el condensador cambian de valor, lo queorigina artefactos.

Ze = Rs +

Re +1

jπfCe

Re

j2πfCe

Ze = Rs +Re

1 + j2πf CeRe

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Figura 5.4. Circuito equivalente de dos electrodos con tejido biológico entre ellos,acoplados a un amplificador con impedancia de entrada Za

Los componentes del circuito equivalente Re, Rs y Ce no sonconstantes. Medidas experimentales demuestran que sus valores soninversamente proporcionales al cuadrado de la frecuencia, eindependientes de la densidad corriente, si esta es inferior a 1mA/cm

2.

La impedancia de los electrodos en función de la frecuencia sepuede medir si se colocan dos electrodos en la forma convencional.Luego se procede a aplicar una tensión y se mide la corriente quepasa por ellos para diferentes frecuencias. La relación voltaje/corriente, es la impedancia de los dos electrodos en serie. Si loselectrodos son idénticos, el valor de la impedancia de cada uno esla mitad del valor medido.

El circuito equivalente de los dos electrodos, el tejidointerpuesto y la impedancia de entrada del amplificador es elmostrado en la figura 5.4.

Ec y Ze representan el potencial medio de celda y la impedanciade cada electrodo, mientras que Za representa la impedancia deentrada del amplificador. Esta última debe ser alta, de manera queabsorba muy poca corriente del generador, que en este caso es eltejido biológico. Si la impedancia de entrada fuera baja, el voltajede entrada dependerá excesivamente de la impedancia.

142


ELECTRODOS DE AGUJAELECTRODOS DE AGUJAELECTRODOS DE AGUJAELECTRODOS DE AGUJAELECTRODOS DE AGUJALos electrodos de aguja son empleados para medir los

biopotenciales dentro del cuerpo. Los transcutáneos sonideados para atravesar únicamente la piel, mientras que loselectrodos internos se implantan en órganos más profundos;el cerebro, algún nervio o músculo. La interface se estableceentre su parte conductora y el líquido intra o extra celular, poresto adolecen de las complicaciones de interface nombradasanteriormente.

Los electrodos de aguja se emplean para medir biopotencialesprovenientes de lugares específicos de los tejidos. Están fabricadoscon finos alambres de zinc, acero inoxidable, tungsteno o aleacionesde platino. No puede emplearse cobre o plata, puesto que estoselementos son tóxicos para las células. Para satisfacer necesidadesespeciales, algunos usuarios fabrican sus propios electrodos.

Figura 5.5. Diferentes formas de los electrodos de aguja: (a) Electrodomonopolar; (b) Electrodo bifilar; (c) Electrodo coaxial; (d) Electrodo de vidrio.

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Alvaro Tucci R.

Los electrodos de aguja pueden ser monopolares o bipolares.El primero, mostrados en la figura 5.5a, es un conductor sólido,usualmente acero inoxidable, recubierto con algún material aislanteo plástico del cual sobresale la punta del conductor.

Es empleado principalmente en aplicaciones electromiográficas.Mide la diferencia de potencial entre la punta, insertada en unmúsculo, y un electrodo de referencia adosado en la piel del paciente.

También se emplea para la detección electrocardiográficacontinua en pacientes sometidos a cirugía. Durante la intervención,se colocan dos electrodos en forma subcutanea en lasextremidades, los cuales hacen buen contacto y permanecen en sulugar, aunque el paciente tenga que moverse durante el actoquirúrgico.

Los electrodos de vidrio o de pipeta, consisten en una tubo devidrio lleno con una sustancia conductora líquida o gelatinosa. Enun extremo, la sustancia entra en contacto con el paciente, en elotro, con un cable conductor que lleva los biopotenciales alinstrumento de medida. Un tipo de estos electrodos se muestraen la figura 5.5d.

Los electrodos bipolares pueden ser bifilares o coaxiales. Elbipolar, mostrado en la figura 5.5b, mide la diferencia de potencialentre las puntas descubiertas de dos conductores. Los conductoresson cementados dentro de una cánula de acero inoxidable, comouna aguja hipodérmica, la cual puede conectarse a tierra. Puestoque la señal se mide entre sus conductores no es necesario elelectrodo de referencia.

En el electrodo coaxial, mostrado en la figura 5.5c, la diferenciade potencial se mide entre el electrodo central o activo y laenvoltura de acero inoxidable que podría ser una aguja hipodérmica.En estos electrodos, la parte externa del conductor coaxial actúacomo blindaje.

MICROELECTRODOSMICROELECTRODOSMICROELECTRODOSMICROELECTRODOSMICROELECTRODOSLos microelectrodos son empleados para medir la diferencia de

potencial que se establece entre la parte interna y externa de lamembrana celular. La medida permite analizar el comportamientode la membrana en función de los potenciales eléctricosexistentes. Para efectuarla, se coloca una punta del electrododentro de la célula y otro en la parte externa.

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Las dimensiones de la punta de los microelectrodos deben serpequeñas con respecto a la célula. Para tener noción de estasdimensiones, hay que notar que el diámetro de un glóbulo rojo esde 7um, una fibra nerviosa mide de 1 a 20um y la célula nerviosaespinal humana más grande mide unos 150um.

Los microelectrodos son generalmente de dos tipos: de puntametálica y de micropipeta. Los de punta metálica se construyenafilando electroquímicamente el extremo de un hilo de acero,tungsteno o aleaciones de platino-iridio, de forma que puedapenetrar fácilmente la membrana celular. En los electrodos metálicos,la punta es la única porción en contacto eléctrico con la célula, elresto del electrodo está recubierto de un material no conductorque lo aísla de los tejidos. La acción de colocar el electrodo encierta posición respecto a la célula es generalmente dificultosa. Untipo de electrodo de punta metálica se muestra en la figura 5.6a.

Figura 5.6 . Microelectrodos: (a) De punta metálica; (b) De micropipeta de vidrio.

Los microelectrodos hechos con tubos capilares de vidrio tienendiámetro en la punta del orden de los 0,05 a 10 micrómetros. Elcapilar se llena con un electrolito compatible con el líquido celular,como por ejemplo, una solución 3 M KCl. En este tipo de electrodo,mostrado en la figura 5.6b, se presentan dos interfaces; una en lapunta de la pipeta, entre el electrolito y los líquidos celulares y laotra en el interior de la pipeta, entre el electrolito y el conductormetálico.

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Debido a su pequeña área de contacto, los microelectrodospresentan impedancias muy altas, comprendidas entre 1 y 100Mohmios. En consecuencia, los amplificadores a los cuales se lesconectan deben tener la impedancia de entrada similar o mayor.De hecho, para obtener alta fidelidad en el registro, se empleanamplificadores cuya impedancia de entrada es del orden de los 10

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Mohomios.La ventaja de disponer de un amplificador de muy alta impedancia

se perdería si el aislante que recubre el electrodo no fuera de altacalidad, comparable a la impedancia de entrada del amplificador.Algunos electrodos emplean el teflón, que aparte de ser buenaislante, se desliza fácilmente cuando es implantado.

ELECTRODOS PARA LA ELECTROESTIMULACIÓNELECTRODOS PARA LA ELECTROESTIMULACIÓNELECTRODOS PARA LA ELECTROESTIMULACIÓNELECTRODOS PARA LA ELECTROESTIMULACIÓNELECTRODOS PARA LA ELECTROESTIMULACIÓNLos electrodos empleados para la estimulación eléctrica de los

tejidos son de la misma forma que los electrodos empleados para“recoger” biopotenciales. Sin embargo, la corriente que atraviesa lainterface es mucho mayor. Su magnitud debe ser capaz de provocarla contracción muscular. Un ejemplo de este electrodo es el delmarcapasos, que se instala directamente en el músculo cardíaco.

La corriente de estimulación que recorre los electrodos puedeser pulsante, periódica, monopolar o bipolar. Se entiende porcorriente pulsante la que recorre el circuito únicamente duranteun breve tiempo. Periódica es aquella que se produce a intervalosregulares, por ejemplo, un pulso cada segundo. Corrientemonopolar es aquella que no cambia de sentido; mientras que lacorriente bipolar circula durante cierto tiempo en un sentido, yluego, por el mismo tiempo, en sentido contrario.

En la figura 5.7a,b se muestran dos formas de ondas periódicaspulsantes; la monopolar y la bipolar. Otras formas de ondas, comotrenes de pulsos rectangulares o sinusoidales o impulsos condecaimiento exponencial, también se emplean para estos fines.

La respuesta de los electrodos al tipo de estímulo, depende sies alimentado con corriente constante o con voltaje constante. Sies alimentado con corriente constante, la respuesta de voltaje escomo se muestra en la figura 5.7c. Nótese que la forma de onda devoltaje no coincide con la forma de onda de la corriente. Ladiferencia es debida a la polarización del electrodo cuando por lainterface circula corriente unidireccional o monopolar.

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Si el electrodo es alimentado con voltaje constante, las formasde onda se muestran en la figura 5.7d. La diferencia se debe tambiénal efecto de polarización.

La polarización se refleja como una alteración de los valores delos componentes del circuito equivalente; los valores cambian amedida que el impulso progresa. Luego, cabe esperar, que el circuitoequivalente de los electrodos depende de la corriente y de la duraciónde los impulsos.

Figura 5.7. Formas de ondas periódicas

SUGERENCIAS EN EL MANEJO DE ELECTRODOSSUGERENCIAS EN EL MANEJO DE ELECTRODOSSUGERENCIAS EN EL MANEJO DE ELECTRODOSSUGERENCIAS EN EL MANEJO DE ELECTRODOSSUGERENCIAS EN EL MANEJO DE ELECTRODOS

Para usar correctamente los electrodos deben seguirse lossiguientes lineamientos y precauciones:

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• Todas las partes metálicas que podrían entrar en contactocon el electrolito deben estar hechas del mismo metal. En casocontrario,se crean potenciales de celdas diferentes, polarizacionesadicionales, reacciones químicas y corrosiones innecesarias, seproduce inestabilidad del potencial de celda e incremento del ruidoeléctrico.

• Debe tenerse especial cuidado que las partes soldadas noentren en contacto con el electrolito; el metal con que está hechala soldadura, seguramente es diferente.

• Cuando se emplean electrodos para realizar medidasdiferenciales, es preferible que estén hechos del mismo material;los potenciales medios de celda son aproximadamente iguales yse anulan. En la entrada del amplificador no hay componente devoltaje continuo, lo que minimiza la posibilidad de saturación,especialmente en amplificadores de alta ganancia y de acoplamientodirecto.

• Los electrodos son dispositivos muy confiables. El lugar máspropenso a fallar es el punto donde el conductor se une al electrodo.El conductor se rompe debido a las continuas torceduras y elelectrodo queda separado del instrumento de medida. A veces estafalla no se nota a simple vista, por quedar oculta por el aislante. Semanifiesta por un ruido excesivo, normalmente de 60 Hz.

• Debido a que los electrodos son continuamente manipulados,se contaminan con pasta electrolítica, gel o soluciones conductoras.Esta contaminación es casi inevitable. Es fuente de ruido yreducción de la señal y hace que la calidad del aislante disminuyacon el tiempo. Es necesario mantener limpios y libres decontaminación todos los aislantes, de lo contrario se producenfugas que tienden a disminuir la impedancia esperada. Losconductores expuestos a este tipo de contaminación se corroeny los contactos se vuelven defectuosos.

• La impedancia de entrada del amplificador debe ser muchomayor que la impedancia de la fuente de la señal. Si esta condiciónno es satisfecha, se produce atenuación y distorsión de la señal amedir. Al contaminarse la entrada del amplificador, se produce unadrástica disminución de su impedancia de entrada, debido a que seestablecen corrientes de fuga superficiales en los aislantes. Losconectores, cables, aislantes y la zona donde físicamente estásituada la entrada del amplificador, deben estar libres de todo tipo

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de contaminación y humedad.• Las corrientes superficiales, que se desplazan por la superficie

contaminada de los aislantes, incrementan con la acumulación depolvo y con la humedad ambiente. En los días secos las medidasson "mejores" que en los días lluviosos. El problema se corrigemediante la limpieza de dichas superficies con tetracloruro decarbono u otros solventes similares que dejan pocos residuos alevaporarse.

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AmplificaciónAmplificaciónAmplificaciónAmplificaciónAmplificaciónde Biopotenciales y Filtrosde Biopotenciales y Filtrosde Biopotenciales y Filtrosde Biopotenciales y Filtrosde Biopotenciales y Filtros

CAPÍTULO 6

AMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALESAMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALESAMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALESAMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALESAMPLIFICADORES DE BIOPOTENCIALESLLLLLas señales de origen biológico se caracterizan por ser de

baja amplitud y provenir de fuentes de alta impedancia. Es funciónde los amplificadores incrementar dichas señales y acoplarlas alos circuitos electrónicos de impedancia menor, que posterior-mente las procesarán.

Cuando los amplificadores están destinados únicamente aincrementar la magnitud de los biopotenciales, se diseñan comoamplificadores de voltaje con ganancia de aproximadamente 1000.Cuando actúan únicamente como acopladores de impedancias,aíslan la señal de entrada de la carga y están diseñados comoamplificadores de corriente

La configuración básica de los amplificadores de biopotencialeses normalmente diferencial, debido a que las señales a medirson “recogidas” simultáneamente por dos electrodos colocadosen diferentes partes del cuerpo. Tal es el caso de la detecciónde los potenciales en el electrocardiograma, el electrooculogramao el electromiograma.

En el electrocardiograma, los biopotenciales son medidos comola diferencia del voltaje superficial entre dos miembros; en elelectroencefalograma, como la diferencia de potencial superficial

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Instrumentación Biomédica / Amplificación de Biopotenciales y Filtros

entre dos lugares del cráneo y en el electromiograma miden ladiferencia de potencial entre dos partes del músculo.

La amplificación debe estar dirigida solamente a la frecuenciafundamental y a las armónicas que componen la señal de interés.Los amplificadores de biopotenciales deben reunir las siguientescaracterísticas:

a.a.a.a.a.- Entrada diferencial. Le confiere la propiedad de amplificarúnicamente la diferencia de potencial instantáneo presente en lasentradas. Tiene dos terminales de entrada y uno de salida. El voltajede salida es proporcional a la diferencia entre los dos voltajes deentrada.

bbbbb.- Alta impedancia de entrada. La alta impedancia hace que lamadida altere lo menos posible la señal a medir. Si la carga sobre laseñal a medir es excesiva se produce distorsión. Los amplificadoresde biopotenciales tienen por lo menos 2 MW de impedancia deentrada, siendo deseables para muchas aplicaciones 10 MW.

ccccc.- No someter a riesgo el paciente. El circuito de entrada delamplificador debe ser diseñado de tal forma que no representeriesgo para el paciente u operadores. Cualquier corriente presenteen los terminales de entrada del amplificador, además de afectar elpotencial biológico que se está midiendo, podría causar micro omacro shock. La etapa de entrada del amplificador debe tenercircuitos de protección y aislamientos especiales, de forma que lacorriente por los electrodos, en las condiciones más adversas norepresente riesgo.

d.d.d.d.d.- Salida de baja impedancia. La señal de salida del amplificadores acoplada conductores o circuitos como amplificadores,discriminadores,o es ampleada para "manejar" algún monitor oregistrador. Generalmente debe ser de baja impedancia para podersuministrar la potencia requerida a los circuitos que maneja. Puedeser diferencial o no, pero en ambos casos, referida a tierra.

e.e.e.e.e.- Selectividad en la amplificación. Deben amplificar únicamenteaquella porción del espectro de frecuencias de que está compuestala señal bioeléctrica. Su ancho de banda no debe ser mayor de lonecesario; el amplificador actúa como filtro pasa banda, atenúa todasaquellas frecuencias y ruidos que están fuera del espectro de interés.

La tabla 6.1. muestra la banda de frecuencias y la máximamagnitud de la señal de entrada en los amplificadores de bio-potenciales. El electrooculograma (EOG), el electroencefalogramas

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(EEG), el electrocardiograma (ECG), el electromiograma (EMG ó EEG)y la medida del potencial de acción del axón (AAP).


Tipo de estudioTipo de estudioTipo de estudioTipo de estudioTipo de estudio Ancho de banda (Hz) Ancho de banda (Hz) Ancho de banda (Hz) Ancho de banda (Hz) Ancho de banda (Hz) Voltaje máximoVoltaje máximoVoltaje máximoVoltaje máximoVoltaje máximode entrada (mV)de entrada (mV)de entrada (mV)de entrada (mV)de entrada (mV)

Banda inferiorBanda inferiorBanda inferiorBanda inferiorBanda inferior Banda superiorBanda superiorBanda superiorBanda superiorBanda superior

EOG d.c. 10 0,5 EEG 0,1 100 0,7 ECG d.c. 30 5 EMG 50 2000 100 AAP 1000 10.000 100

Los electrodos, aparte de los biopotenciales, “recogen” señalesde ruido compuestas generalmente por voltajes de mayor amplitudque la misma señal de interés. El amplificador diferencial tiene lapropiedad de eliminar las señales en modo común

El grado de rechazo de la señal común se llama relación derechazo en modo común o CMMR (Common Mode Rejection Ratio).

El símbolo y la definición matemática del amplificador diferencialse muestran en la figura 6.1.

Va y Vb son las tensiones en las entradas, medidas con respectoa tierra.

A es la ganancia diferencial de voltaje del amplificador yVo es el voltaje de salida respecto a tierra.

.................( 6.1 )

Figura 6.1. Representación del amplificador diferencial

Los modernos amplificadores diferenciales son fabricados concircuitos integrados que emplean tecnología MOS o CMOS, con

Vo = A (Vb - Va )

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ellas es posible obtener muy alta impedancia de entrada y ancho debanda suficiente para la amplificación de señales biológicas. Su consumoes relativamente bajo, lo que permite ser empleados en equiposportátiles. Mediante diseños adecuados, pueden obtenerse gananciase impedancias de salida apropiadas para manejar los circuitos conectadosa su salida.

Una etapa típica de entrada diferencial construida con dostransistores se muestra en la figura 6.2. Emplea dos fuentes depoder; una positiva y otra negativa. Las resistencias de colectorson idénticas. El voltaje diferencial de salida Vo se genera entreuno de los colectores y tierra. La etapa convierte la señal diferencialde entrada en una señal de salida única que puede emplearse etapassucesivas de amplificación.

Figura 6.2. Etapa de entrada de un amplificador diferencial

Los amplificadores reciben la señal a amplificar de los electrodos.Su presencia no debe alterar en forma apreciable las señaleseléctricas "recogidas". Es decir, deben alterar muy poco los voltajesy corrientes originalmente presentes en el biosistema. Por sualta impedancia de entrada "extraen" muy poca corriente del sistemaque se está midiendo.

Los electrodos superficiales presentan una impedancia delorden de los 100 Kohmios , debida principalmente a la resistenciade la piel, mientras que los electrodos de aguja o microelectrodos,la impedancia es del orden de los Mohmios

El amplificador diferencial construido con dos transistores comoel mostrado en la figura 6.2 es bastante utilizado. Constituye la etapa

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de entrada de los amplificadores operacionales. Se emplea encircuitos para instrumentación, circuitos integrados lineales y lógicos.

Para su estudio puede considerarse como si estuviera en unacaja negra con dos terminales de entrada y una salida.

AMPLIFICADORES DIFERENCIALESAMPLIFICADORES DIFERENCIALESAMPLIFICADORES DIFERENCIALESAMPLIFICADORES DIFERENCIALESAMPLIFICADORES DIFERENCIALESDE ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADADE ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADADE ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADADE ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADADE ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADA

Y CONTROL DE GANANCIAY CONTROL DE GANANCIAY CONTROL DE GANANCIAY CONTROL DE GANANCIAY CONTROL DE GANANCIAA efecto de analizar el funcionamiento de los amplificadores, se

asume que estos son ideales, lo cual simplifica significativamentesu diseño sin alterar en forma apreciable los resultados.

Un acoplador de impedancias construido con el amplificadorideal se muestra en la figura 6.3. En este circuito, la impedancia deentrada es idealmente infinita y la impedancia de salida idealmentecero. La corriente de entrada es cero y el voltaje de entrada esigual al voltaje de salida (Vi = Vo). Por lo tanto, la ganancia de voltajees uno. Los voltajes son medidos respecto a tierra.

Figura 6.3. Acoplador de impedancias

Una versión del circuito anterior donde se conserva el valor dela impedancia de entrada y se obtiene cierta ganancia, se muestra enla figura 6.4.

Figura 6.4. Acoplador de impedancias con ganancia

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La ganancia del amplificador mostrado en la figura 6.4. es dadapor la siguiente expresión:

La ganancia del circuito se obtiene de la relación:

Considérese el nodo formado por la unión de Rf y Ri. Como laimpedancia del amplificador es idealmente infinita, la corriente porla resistencias Ri es igual a la corriente por la resistencia Rf, por lotanto:

La ganancia del amplificador es dada por:

EjemploEjemploEjemploEjemploEjemplo: Con referencia al diagrama de la figura 6.4, si el voltajede entrada es Vi = 0,3v, las resistencias Ri = 1000ohmios y Rf =3000ohmios, la ganancia será:

y el voltaje de salida:

El amplificador de la figura 6.4 no es diferencial. Para convertirlose hacen las modificaciones mostradas en la figura 6.5., donde secrean las entradas diferenciales y se agrega el potenciómetro Rp.

Para efectos de cálculos, a la fracción inferior del potenciómetrose le llama c x Rp y a la porción superior (1 – c) x Rp

Por el teorema de superposición se obtiene:

Vo = Voa + Vob

A = + 1RfRi

= + 1 = 430001000

Vo = Vi x A = 0,3 x 4 = 1,2 voltios

A = + 1RfRi

A = ViVo

ViRi

Vi – VoRf

=

A = = +1RfRi

VoVi

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Alvaro Tucci R.

donde: Voa es el voltaje de salida del amplificador cuandoVb = 0 (La entrada inferior conectada a tierra) y Vob es el voltajede salida cuando Va = 0 (La entrada superior conectada a tierra).Por lo tanto:

entonces:

...............(6.2)

Para satisfacer la ecuación (6.1) que es la que define elamplificador diferencial, debe cumplirse que:

de donde:

......................( 6.3 )

Figura 6.5. Amplificador diferencial básico

En la ecuación (6.3), “c” es una fracción particular delpotenciómetro que satisface la definición de amplificador diferencial.Cuando se satisface la ecuación (6.3 ), se dice que el amplificadordiferencial está balanceado.

Vob = c x Vb 1 +Rf

Ri( )

+ c x Vb 1 + Rf

Ri(Vo = –Va

Rf

Ri( ) )

=Rf

Rf + Ric

= 1 +Rf

Ri( )Rf

Ric

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En condiciones de balance, si se sustituye la ecuación (6.3) enla ecuación (6.2) se obtiene:

de donde: .................(6.4)

Si se compara la ecuación (6.4) con la ecuación (6.1) se evidenciaque la ganancia diferencial del sistema es:

La ganancia depende únicamente de la relación entre lasresistencias Rf y Ri.

El circuito de la figura 6.5 presenta una impedancia de entradarelativamente baja. En Va, la impedancia en la entrada es Ri y en laentrada Vb es Rp. Para lograr impedancias mucho mayores se colocaen cada entrada un amplificador de acoplamiento de impedancias,como el mostrado en la figura 6.6 con lo cual se logra tambiéncierta amplificación.

En un amplificador diferencial ideal la corriente de entrada i = 0,luego:

................( 6.5)

pero como: V1 = V3 y V2 = V4 .................( 6.6)

combinando las ecuaciones (6.5) y (6.6) se obtiene:

La tensión diferencial de salida de los acopladores de impedanciao “buffers”, Va – Vb, es igual a la tensión diferencial de entrada,multiplicada por una constante (Ra+Ro+Rb)/Ro.

Esta última constante es la que determina la ganancia de los

+ Vb x 1 + RfRi( )Vo = –Va Rf

RiRf

Rf + Ri

RfRi

Vo = Vb – Va( )

A = RfRi

V3 – V4Ro

Va – Vb

Ra + Ro + Rb=

Ra + Ro + Rb

RoVa – Vb = V1 – V2( )

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Alvaro Tucci R.

acopladores de impedancia. La ganancia total del circuito de la figura6.6 es:

Figura 6.6. Amplificador diferencial con alta impedancia de entrada

EjemploEjemploEjemploEjemploEjemplo: Asumiendo que el amplificador de la figura 6.6 es idealy está balanceado, Ra = Rb = 2KohmiosyRo =3Kohmios Determinarel valor de Va–Vb y la corriente en la cadena de resistencias cuandoV1 = 100 mv y V2 = 200 mv

Dadas las condiciones anteriores, se observa que la corrienteque circula por la cadena de resistencias es la misma en cada unade ellas. En consecuencia:

I = = 0,033mA

Va – Vb = 0,033 (2000 + 3000 + 2000) = 0,233v

La ganancia de la etapa es:

Si la segunda etapa está formada por un amplificador conresistencias Ri = 470ohmios y Rf = 2400ohmios, su ganancia esdada por:

Ra + Ro + RbRo

A = RfRi

x

0,2 - 0,1

3000

Va – Vb

V1 – V2

0,233

0,1= = 2,33

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La ganancia total será:

A = 2,33 x 5,11 = 11,90

AMPLIFICADORES DE POTENCIAAMPLIFICADORES DE POTENCIAAMPLIFICADORES DE POTENCIAAMPLIFICADORES DE POTENCIAAMPLIFICADORES DE POTENCIALa etapa de salida del amplificador de la figura 6.6 puede disipar

alrededor de 100 mw y suministrar a la carga algunos miliamperios.Si se requiere más corriente es necesario utilizar un amplificadorde potencia. Esta situación se presenta cuando el amplificadordebe manejar un galvanómetro, el sistema de registro de unelectrocardiógrafos o aparatos similares.

Los amplificadores de potencia a conectarse en cascada con elamplificador mostrado en la figura 6.6, emplean como elementosactivos transistores de potencia montados sobre disipadores decalor, que ayudan a mantener la temperatura de estos componentesdentro de los límites especificados por el fabricante.

Las principales características de los amplificadores depotencia son:

Ganancia de potencia GpEficiencia ηImpedancia de entrada ZiImpedancia de salida Zo

Se define como eficiencia de un amplificador de potencia “η”, alcociente entre la potencia de la señal entregada a la carga y lapotencia media consumida entregada por la fuente de poder.

El circuito básico de un amplificador de potencia acoplado porcondensador se muestra en la figura 6.7. Este arreglo es adecuadopara manejar algunos vatios. Su rendimiento es del orden del 48%.

La disipación de potencia en el transistor es limitada por latemperatura máxima permisible en la unión de colector. Para evitarexcederla, se monta el transistor sobre un disipador de calor, elcual consiste en una base metálica conductora de calor con aletas

RfRi

2400470

= = 5,11

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Alvaro Tucci R.

refrigeradoras acopladas íntimamente con el transistor. Para manejarmayores potencias, el transistor puede sustituirse por un arregloDarlington.

Figura 6.7. Amplificador de potencia

AMPLIFICADORES DE POTENCIA TIPO AMPLIFICADORES DE POTENCIA TIPO AMPLIFICADORES DE POTENCIA TIPO AMPLIFICADORES DE POTENCIA TIPO AMPLIFICADORES DE POTENCIA TIPO PUSH PULPUSH PULPUSH PULPUSH PULPUSH PULLLLLLLa configuración de la figura 6.8, es empleada cuando se requiere

manejar mayores potencias. El amplificador está construido con dostransistores que funcionan en contrafase o push-pull. Estaconfiguración produce menos distorsión y tiene mayor rendimiento,cercano al 70%. Los transistores se polarizan para que trabajen enclase B, casi al corte.

La potencia de salida Po es determinada por los requerimientosde potencia de la carga. La tensión máxima de salida es limitada porla tensión de ruptura inversa máxima a que puede someterse elcolector del transistor, conocida también por el vocablo inglés BreakDown Voltage o BDV, cuyo valor es suministrado por el fabricante.

La resistencia de carga R1 tiene un valor dado por:

donde V es el voltaje aplicado a cada transistor respecto a tierra yPo es la potencia disipada en la resistencia de carga. Nótese que lapotencia media de la etapa es igual a la potencia media de unsemiciclo, ya que conduce un transistor la vez.

El generador Vb produce ondas senusoidales. Cuando comienzala semionda positiva y el voltaje de base Vb es lo suficientemente

R1 = V2

2Po

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positivo, el transistor Q1 entra en conducción mientras que Q2permanece en corte. En estas condiciones, para transistores desilicio se cumple que:

Vb = 0,7 + Vo ...................(6.7)

En el semiciclo negativo, cuando Vb es suficientemente negativo,Q2 conduce, mientras que Q1 deja de hacerlo. En estas condicionesse cumple que:

Vb = – 0,7 + Vo ...................(6.8)

De las igualdades (6.7) y (6.8), se desprende que la ganancia devoltaje de este arreglo es aproximadamente igual a uno.

La característica dinámica de transferencia del circuito anteriorse muestra en la figura 6.9. En ella se representan gráficamente lasecuaciones (6.7) y (6.8), es decir, la tensión de salida en función dela tensión de entrada.

Cuando la tensión de base está comprendida entre -0,7 y +0,7voltios ninguno de los dos transistores conducen. En estascondiciones, tanto la corriente en los colectores como el voltajede salida son iguales a cero.

Figura 6.8. Circuito básico de un amplificador de potencia tipo push-pull

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Figura 6.9. Característica dinámica de transferencia de un circuito push-pull

Para que la distorsión sea mínima, la característica de transferenciadebe ser lo más cercana posible a una recta. Sin embargo, paratensiones de entrada comprendidas entre –0,7 y +0,7 voltios, seobserva una discontinuidad conocida como zona muerta (crossover).Una onda sinusoidal amplificada por este arreglo produciría unadistorsión de la forma mostrada en la figura 6.10.

Figura 6.10. Distorsión producida en la onda sinusoidal por la discontinuidadde la característica dinámica de la etapa push-pull

Para reducir la distorsión por discontinuidad puede anaxarse enla entrada del circuito push pull un amplificador no-inversor conectado

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de la forma indicada en la figura 6.11.

Figura 6.11. Amplificador con compensación

En el circuito de la figura 6.11, si se aplica la Ley de los Nodosen el punto (1) se obtiene:

por lo tanto:

............... (6.9)

Luego, la ganancia de voltaje es dada por:

................(6.10)

La ecuación (6.9) muestra que el voltaje de salida Vo es unafunción lineal del voltaje de entrada. Por lo tanto, la distorsión pordiscontinuidad ha sido teóricamente eliminada. Esto es debido aque en esa zona la tensión Vo es cercana cero, en consecuenciapor la resistencia Rf fluye muy poca corriente. Si esto ocurre, elcircuito se comporta como si tuviera una resistencia de muy altovalor, casi como un circuito abierto.

Ahora bien, si en la ecuación (6.10) la resistencia Rf es de muy altovalor, la ganancia Av es también muy grande. Se concluye, por lo

ViRi

Vi – VoRf

=

RfRi

1 +( )Vo = Vi

Av = VoVi

= + 1 RfRi

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Alvaro Tucci R.

tanto, que para tensiones de entrada pequeñas la ganancia delsistema es muy grande, con lo que se reduce la distorsión pordiscontinuidad apreciablemente.

Como se dijo anteriormente, la eficiencia del amplificador de lafigura 6.11 es del orden del 70%. Las pérdidas se producenmayormente en los transistores de potencia. Las pérdidas en Rf y Riy en el amplificador operacional prácticamente son despreciables.

La corriente en el transistor es máxima cuando conducetotalmente o está saturado. Si se desprecia Vce, que paratransistores de silicio es 0,2 voltios, la corriente máxima por eltransistor es dada por:

Imax =

Si se asume que la corriente de colector es igual a la corrientede emisor, la máxima excursión de tensión positiva en la salida es:

y la máxima excursión de tensión negativa es:

La excursión máxima de salida es la suma de las dos anteriores,es decir:

CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESCARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESCARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESCARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESCARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESLas principales características de los amplificadores y su definición

son las siguientes:

IMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADALa impedancia de entrada es la relación entre la tensión y la

corriente de entrada. Para la configuración de la figura 6.8, se calculaa partir de su definición, es decir:

V

Rc + RL

Vo = VRL

Rc + RL

Vo = – VRL

Rc + RL

Vomax = 2VRL

Rc + RL

Zi =Vb

Ib

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Si se aplica la Ley de las Mallas al circuito formado por elgenerador Vb, la junta base-emisor del transistor de silicio y laresistencia de carga se obtiene:

Vb = 0,7+(1+hfe)Ib x RL

donde (1+hfe)Ib es la corriente de colector Ic.

Si se asume que la tensión de alimentación V es mucho mayorque 0,7 voltios, lo cual es muy probable, se obtiene:

Zi = (1+hfe)Ib

Por lo tanto, la impedancia de estrada es: Zi = (1+hfe)RL

GANANCIA DE POTENCIAGANANCIA DE POTENCIAGANANCIA DE POTENCIAGANANCIA DE POTENCIAGANANCIA DE POTENCIALa ganancia de potencia Gp es el cociente entre la potencia de

salida Po, suministrada a la carga y la potencia Pi, que se suministraa la entrada del amplificador.

La potencia que se le suministra al amplificador es dada por:

y la potencia suministrada a la carga es dada por:

Por lo tanto: Gp = 1+hfe

En el circuito en cuestión, la tensión de base Vb difiere de la tensiónde emisor sólo en 0,7 voltios. Por lo tanto puede asumirse, sin mucho

Gp =Po

Pi

V2o

V2b

Pi =V

2b

Zi = V

2b

(1+hfe)RL

Po =V

2o

RL

RL

Ib

165

Alvaro Tucci R.

error, que Vo = Vb. Entonces la ganancia de potencia es dada por:

EFICIENCIAEFICIENCIAEFICIENCIAEFICIENCIAEFICIENCIALa potencia que puede manejar un amplificador es limitada por

la capacidad de disipar el calor que en él se genera. La generaciónde calor es un factor indeseable siempre presente. Es debido a laspérdidas de energía que se producen en la transformación de laamplitud de la señal. Mientras mayor es la eficiencia del sistema,menor será el calor generado.

La eficiencia h se define como la relación entre la potencia útilentregada a la carga Po y la potencia total Pt suministrada al circuitopor las fuentes de poder, es decir:

La potencia total Pt debe ser igual a la suma de la potenciasuministrada a la carga Po, más la potencia de pérdida Pp, o sea:

Pt = Po + Pp

pero: Po = I2 x RL

y Pp = I2 x Rc + Vce x I

Por lo tanto:

Dividiendo numerador y denominador por I se obtiene:

En la ecuación anterior, el numerador es igual a Vo y eldenominador es igual al voltaje de alimentación V. Por lo tantola eficiencia es dada por:

Gp = (1+hfe)

η =I2 x RL

I2 x Rc + I

2 x RL + I x Vce

η =I x RL

I x Rc + I x RL + Vce

η =Po

Pt

Vo

V η =

166


MÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIAMÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIAMÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIAMÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIAMÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIALos terminales de salida del amplificador pueden ser

representados por el circuito equivalente de Thevenín mostradoen la figura 6.12. Consiste en una fuente de voltaje en circuitoabierto Voc, en serie con la resistencia de Thevenín Rt. Esta fuentede voltaje con su resistencia Rt alimenta la resistencia de carga RL

Figura 6.12. Circuito equivalente de Thevenín

En el circuito se cumple que:

y la potencia suministrada a RL es:

Por lo tanto

Si en esta última ecuación se asume que la resistencia deThevenín Rt es de 10 ohmios y Voc es 10 voltios, entonces:

Para varios valores de RL puede calcularse PRL. Los resultadosson mostrados en la tabla 6.2.

PRL =RL

(Rt + RL )2

V2oc

VL = VocRL

Rt + RL

V2L

RL PRL =

100RL

(10 + RL)2

PRL =

167

Alvaro Tucci R.

Tabla 6.2.Tabla 6.2.Tabla 6.2.Tabla 6.2.Tabla 6.2.RL (ohms) PRL

(vatios)

1 0,825 2,2210 2,5040 1,6080 0,99100 0,82

Si con los valores obtenidos se traza la curva de la potenciadisipada en la resistencia RL en función de su valor, se obtiene lagráfica de la figura 6.13. De ella se concluye que la máximatransferencia de potencia ocurre cuando el valor de la resistenciade carga RL es igual al valor de la resistencia interna del generador.

Figura 6.13. Curva de transferencia de potencia

Ejemplo:Ejemplo:Ejemplo:Ejemplo:Ejemplo: Para el circuito amplificador de potencia mostrado en lafigura 6.14, donde el amplificador diferencial puede ser consideradoideal y los transistores de potencia de silicio, determinar:

a.a.a.a.a. El voltaje de salida Vo.b.b.b.b.b. El voltaje a la salida del amplificador diferencial Vd.c.c.c.c.c. Identificar cuál de los transistores está conduciendo.d.d.d.d.d. Calcular el voltaje Vce para el transistor que conduce.e.e.e.e.e. Calcular la potencia disipada en el transistor, en la resistencia Rc y en la resistencia Ro.f.f.f.f.f. Determinar la eficiencia del circuito, asumiendo que las pérdidas en el operacional y circuitos de polarización son despreciables.

168


Figura 6.14. Amplificador de biopotenciales con ajuste de offset

a)a)a)a)a) En el nodo N, que está a 0,36 voltios respecto a tierra, la suma de las corrientes debe ser igual a cero, es decir:

I1 + I2 + I3 + I4 = 0

Las corrientes pueden calcularse de la siguiente forma:

Por lo tanto:1,455 mA – 0,766 mA – 0,36 mA + Vo/10K – 0,036 mA = 0Resolviendo para Vo se obtiene:

Vo = –2,93voltios

I1 =12 – 0,36

5k + 3k= 1,455mA

I2 =–5 – 0,36

2k + 5k= –0,766mA

I3 =0 – 0,36

1k= –0,36mA

I4 =Vo – 0,36

10k= –0,036mA

Vo

10k=

169

Alvaro Tucci R.

b)b)b)b)b) La tensión Vd es igual a la tensión Vo menos la caída de tensión en la junta emisor – base del transistor, es decir:

Vd = –0,7 – 2,93 = –3,63voltios

c)c)c)c)c) Cuando Vd = -3,63voltios el transistor Q2 está conduciendo.

d)d)d)d)d) La corriente por la resistencia de carga es:

Para hfe relativamente alta, puede asumirse que la corriente decolector es prácticamente igual a la corriente de emisor, entoncesla caída de tensión en Rc es:

VRc = 0,298 x 8 = 2,34 voltios

La caída de tensión Vce en el transistor que conduce es:Vce = 12 – 2,93 – 2,34 = 6,73voltios

e)e)e)e)e) La potencia disipada en el transistor es:Pt =Vce x Io = 6,73 x 0,293 = 1,97w

La potencia disipada en Rc es:PRc = I

2o x Rc = 0,293

2 x 8 = 0,69w

La potencia disipada en Ro es:PRo = I

2o x Ro = 0,293

2 x 10 = 0,86w

f)f)f)f)f) El rendimiento del amplificador es dado por:

Io =Vo

Ro= –0,293A

–2,93

10=

η =Po

Pt + Pc + Po = 0,86

1,97 + 0,69 + 0,86 = 0,24

170


FUENTES DE INTERFERENCIAFUENTES DE INTERFERENCIAFUENTES DE INTERFERENCIAFUENTES DE INTERFERENCIAFUENTES DE INTERFERENCIALa generación, distribución y consumo de energía eléctrica

produce radiaciones electromagnéticas que engendraninterferencias. Los ambientes hospitalarios están particularmentecontaminados por estas radiaciones, ya que en ellos se concentranlas instalaciones eléctricas que alimentan los equipos, la iluminaciónartificial, los ascensores y otros servicios.

Los pacientes están próximos a conductores y aparatoseléctricos; es inevitable que entre ellos y la red eléctrica seestablezcan capacidades distribuidas, representadas por uncondensador en la figura 6.15. Tales capacidades, en presencia delcampo electromagnético generan las tensiones de interferencia.

Figura 6.15. Interferencia de la línea sobre las mediciones de los biopotenciales

La estimación del valor de la capacitancia se obtiene por mediode la siguiente ecuación:

C = eo

donde:

eo = 8,854 x 10 –12

es la permeabilidad absoluta.

A es el área del cuerpo humano expresada en m2

d es la distancia promedio entre el cuerpo y los conductores,expresada en metros.

Si se asume que la superficie del cuerpo humano es de 1m2 y se

F m

Ad

171

Alvaro Tucci R.

encuentra a una distancia promedio de un metro de la línea dedistribución de energía eléctrica, la capacidad distribuida es:

C = 8,854 x 10 –12

= 8,854pF

Este cálculo, da una idea aproximada de los valores de lacapacidad distribuida que se pueden esperar entre el paciente y lalínea eléctrica. Normalmente se asume una magnitud comprendidaentre1 a 20 pF, que entre otras cosas, depende de la posiciónrelativa del paciente respecto a la línea de alimentación.

En el ejemplo siguiente se estima el valor de la tensión deinterferencia que probablemente estará presente en la entrada delamplificador diferencial debido al acoplamiento entre la línea dealimentación y el paciente.

Ejemplo:Ejemplo:Ejemplo:Ejemplo:Ejemplo: A un paciente se le está efectuando unelectrocardiograma con un equipo que tiene entrada diferencial y10Mohmios de impedancia. La capacidad distribuida entre elpaciente y la red de 120 voltios 60Hz es de 5pF.

Calcular la tensión en la entrada en el amplificador diferencialdebida a la interferencia.

La figura 6.16 muestra el circuito equivalente de entrada delamplificador, acoplado por medio de un condensador a la red.

Figura 6.16. Circuito equivalente

La impedancia del condensador es:

Pero como la impedancia de entrada del electrocardiógrafo es

12

1

Zo = =1

2πfC= 53 x 10

7Ω

1

2 x π x 60 x 5 x 10–12

172


de 10 ohmios, la tensión en la entrada en el amplificador diferenciales dada por:

Es evidente que el voltaje de interferencia acoplado a la entradadel electrocardiógrafo, es algunas miles de veces superior al voltajeproveniente de la actividad cardíaca, que es del orden de losmilivoltios.

La misma señal de interferencia está presente simultáneamenteen los dos conductores de entrada del amplificador, mientras que laseñal proveniente de la actividad cardíaca no lo está. Por tal motivo,la señal de interferencia es prácticamente eliminada por lacaracterística de rechazo en modo común del amplificador diferencial.

Para la señal de interferencia, si V2 = V1 aplica lo siguiente:

Vo = V2 – V1 = 0

El ejemplo ilustra cómo el voltaje en modo común de 2,22 voltioses teóricamente eliminado. De la misma manera se suprimen otrasseñales de interferencia de frecuencias diferentes.

RECHAZO EN MODO COMÚNRECHAZO EN MODO COMÚNRECHAZO EN MODO COMÚNRECHAZO EN MODO COMÚNRECHAZO EN MODO COMÚNEn el ejemplo anterior se determinó que el voltaje de

interferencia es eliminado por el hecho de que es igual en ambosterminales de entrada del amplificador.

Sin embargo, debido a imperfecciones en el procedimiento defabricación de los circuitos integrados, los amplificadoresdiferenciales no son perfectamente balanceados; una misma señalaplicada a las dos entradas es amplificada por factores ligeramentediferentes.

El desbalance también se altera durante la vida del amplificadordebido a la variación de los valores de los componentes de loscircuitos, a las variaciones de temperatura y humedad y al polvoque se acumula con el tiempo.

Por ello es conveniente que el microclima que rodea la etapade entrada debe tener temperatura y humedad controladas, estarexento de polvo, y emplear para su fabricación componentes conlas mejores características de estabilidad.

V = 120 = 120R

R + Zo= 2,22voltios

1

1 + 53

173

Alvaro Tucci R.

Como consecuencia de las imperfecciones anteriores, es deesperar que la señal de entrada en modo común producirá unapequeña señal de salida.

La capacidad de un amplificador diferencial para rechazar lasseñales en modo común (CMRR) es suministrada por el fabricantey se define como:

En la práctica, el CMRR se mide por medio del procedimientoilustrado en la figura 6.17

Figura 6.17. El amplificador diferencial

1.- Colocar V2 a tierra y aplicar un voltaje V1.2.- Medir el voltaje de salida resultante que se llamará V01.3.- Desconectar V2 de tierra e unir V1 con V2.4.- Aplicar el mismo voltaje, que se llamará V1, a ambos terminales.5.- Medir el voltaje resultante en la salida, que se llamará V02.

6.- El CMRR es dado por la relación

Puesto que el CMRR no es más que un cociente entre dosvoltajes puede también expresarse en decibeles, así:

CMRR(dB) = 20 log CMRR

CMRR =Vo con V2 aterrado

Vo con V2 = V1

V01

V02

174


LOCALIZACIÓN DE FALLASLOCALIZACIÓN DE FALLASLOCALIZACIÓN DE FALLASLOCALIZACIÓN DE FALLASLOCALIZACIÓN DE FALLASEl procedimiento de la localización de las fallas consiste en

determinar la parte del circuito que la genera. Para ello esconveniente realizar en forma ordenada las siguientes tareas:

• Inspeccionar la tarjeta de circuito impreso. Revisar losconectores y la calidad de sus contactos. Inspeccionar loscomponentes, tratando de localizar fusibles "abiertos",conectores mal colocados o en mal estado, soldadurasdefectuosas o “fías”, componentes rotos o que hayan cambiadode color por efecto del calor.

• Si durante la inspección visual no se observa ninguno de losdefectos antes citados, es conveniente proceder a medir lastensiones de las fuentes de poder y la tensión de alimentación“in situ” en cada amplificador. A menos que se indique lo contrario,el valor de las tensiones especificadas por los fabricantes sonreferidas a tierra.

• Si en condiciones normales de trabajo y carga, todas lasfuentes de poder suministran las tensiones con las característicasde estabilidad y ondulación especificadas en el manual de serviciodel instrumento, se puede asumir que las fuentes están trabajandosatisfactoriamente.

• La forma clásica de analizar el resto de los circuitos paralocalizar la falla en un amplificador es “seguir la señal” por mediode un osciloscopio, preferiblemente de dos canales. En un canalse visualiza la señal de entrada, mientras que en el otro la salida.La comparación de las dos determina si el amplificador o partede él están trabajando adecuadamente. Si no es así, la falla deberíaestar localizada en la porción que se está analizando. En estecaso se revisarán los componentes activos y pasivos que formanel circuito.

Por ejemplo, si la señal de entrada del amplificador estádentro de los límites permitidos y la señal de salida está recortadaen sus dos extremos, es indicación de que la ganancia esexcesiva. Es probable que algún componente pasivo,especialmente una resistencia, está en malas condiciones, cambióde valor o está "abierta". Si la señal de salida está recortada enuno de sus extremos, es probable que una tensión depolarización no está dentro de los límites permitidos.

175

Alvaro Tucci R.

PRECAUCIONES EN EL MANEJOPRECAUCIONES EN EL MANEJOPRECAUCIONES EN EL MANEJOPRECAUCIONES EN EL MANEJOPRECAUCIONES EN EL MANEJODE LOS AMPLIFICADORESDE LOS AMPLIFICADORESDE LOS AMPLIFICADORESDE LOS AMPLIFICADORESDE LOS AMPLIFICADORES

Los amplificadores diferenciales se construyen con circuitosintegrados (DIP), aunque frecuentemente la etapa de entrada puedeestar implementada con componentes discretos, cuyos elementosactivos son dispositivos de alta impedancia. Para manipularlosadecuadamente deben tomar ciertas precauciones.

Cualquiera de estos componentes está sujeto a daños porvoltajes estáticos, temperatura excesiva al ser soldados o puedendañarse por estar sujetos a vibraciones mecánicas.

Los componentes electrónicos, especialmente lossemiconductores, no deben exponerse a los voltajes estáticos quese pudieran establecerse entre ellos y la persona que los manipula.Al tocarlos se puede "perforar" el aislamiento o deteriorarse la juntaPN de los semiconductores que lo componen.

Para no exponer los diferentes elementos a voltajes estáticos,las personas que los manipulen deben “conectarse a una buenatierra” por medio de un brazalete metálico y un conductor, o algúnotro dispositivo similar. Esta precaución debe tomarseespecialmente cuando se trabaja en ambientes secos, con zapatosde goma, o en pisos de linoleo.

Cuando surge la necesidad de sustituir algún circuito integrado,es conveniente emplear una base donde se instalará el nuevocircuito. Con este procedimiento se trata de evitar el sobrecalentamiento del circuito impreso debido a las múltiples soldaduras.

En general, debe evitarse a toda costa el sobre calentamientode los componentes, de la tarjeta de circuitos impresos yespecialmente los semiconductores. Se recomienda el empleo desoldadores con control de temperatura.

Las soldaduras se deben realizar con la mayor rapidez,recordando que para obtener una buena soldadura la temperaturade la unión de los metales debe ser la mínima suficiente para asegurarun buen contacto eléctrico, duradero, cierto y sin exceso deestaño. Si la temperatura no es suficiente, se produce lo que sellama “soldadura fría”, que es un contacto defectuoso difícil delocalizar.

Los semiconductores deben protegerse de las vibracionesmecánicas producidas al recortar sus terminales con herramientas

176


no adecuadas. Las herramientas que cortan en cizalla, como lastijeras, son las mejores. Las pinzas de “corte frío” producenvibraciones que se transmiten por el metal y pueden romper lasdelicadas conexiones en el interior del componente.

FILTROSFILTROSFILTROSFILTROSFILTROSEn una gran variedad de instrumentos médicos, es necesario

seleccionar algunas frecuencias de la compleja señal de entrada yeliminar otras. Un caso típico es la electroencefalografía, donde losvarios estados de vigilia y sueño producen diferentes bandas defrecuencias. Las ondas teta, con frecuencias comprendidas entre 4y 8 Hz indican sueño, mientras que las ondas beta, en la banda defrecuencia de 13 a 22 Hz, indican un alto grado de alerta.

En estos equipos los filtros se emplean para dirigir las variasbandas de frecuencias a diferentes canales. En un canal se registraránlas ondas teta, en otro las beta y así sucesivamente. Con esteprocesamiento de separación de frecuencias se facilita eldiagnóstico.

Los filtros son dispositivos electrónicos que permiten el pasode "señales" de ciertas frecuencias y rechazan otras. Debido a estacaracterística, también se emplean para suprimir los ruidos einterferencias.

Un filtro ideal colocado entre los terminales de un circuitoeléctrico permite el paso de las frecuencias deseadas sin alterar suamplitud y fase y elimina totalmente las frecuencias no deseadas.

Supóngase que se desea amplificar una señal cuyas frecuenciasde interés están dentro de la banda de 1000 Hz a 2000 Hz, mezcladacon otras frecuencias y todo en presencia de ruido.

Un filtro pasa banda de 1000 Hz a 2000 Hz sólo permitirá elpaso de esas frecuencias y elimina las restantes, incluso lasfrecuencias componentes del ruido y la interferencia de 60 Hzprobablemente presente.

CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROSCLASIFICACIÓN DE LOS FILTROSCLASIFICACIÓN DE LOS FILTROSCLASIFICACIÓN DE LOS FILTROSCLASIFICACIÓN DE LOS FILTROSLos filtros, de acuerdo a su respuesta a las frecuencias, se

clasificanen en pasa bajas, pasa altas, pasa banda y rechaza banda.De acuerdo a los componentes físicos que los componen seclasifican en LC, RC, de cristal y activos.

177

Alvaro Tucci R.

POR SU RESPUESTA A FRECUENCIASPOR SU RESPUESTA A FRECUENCIASPOR SU RESPUESTA A FRECUENCIASPOR SU RESPUESTA A FRECUENCIASPOR SU RESPUESTA A FRECUENCIASFiltro Filtro Filtro Filtro Filtro pasa pasa pasa pasa pasa bajasbajasbajasbajasbajas: Son los que permiten el paso de señales debajas frecuencias y bloquean las altas. La banda está comprendidaentre la corriente continua hasta una frecuencia de corte.

Filtro pasa altasFiltro pasa altasFiltro pasa altasFiltro pasa altasFiltro pasa altas: Son los que permiten el paso de señalesde altas frecuencias y bloquean las bajas. La banda deatenuación está comprendida desde la corriente continua hastauna de frecuencia de corte.

Filtro pasa bandaFiltro pasa bandaFiltro pasa bandaFiltro pasa bandaFiltro pasa banda: Permiten el paso de señales cuya frecuenciaestá comprendida dentro de una banda y rechazan el resto.

Filtro de rechazo de bandaFiltro de rechazo de bandaFiltro de rechazo de bandaFiltro de rechazo de bandaFiltro de rechazo de banda: Son los que permiten el paso detodas las frecuencias, a excepción de aquellas comprendidasdentro de una banda.

En las definiciones anteriores se asume que los filtros sonideales. Por ejemplo, un filtro pasa bajas de 1KHz deja pasar, sinatenuar, todas las frecuencias menores de 1KHz y rechazatotalmente las frecuencias mayores. La frecuencia de 1000 Hzpasará sin ser atenuada, mientras que la de 1.001 Hz o de mayoresfrecuencias serán completamente atenuadas.

Figura 6.18. Respuesta de los filtros a diferentes frecuencias: (a) Filtro pasa bajas;(b) Filtro pasa altas; (c) Filtro pasa banda; (d) Filtro rechaza banda

178


Sin embargo, en los filtros reales existe una región de transiciónentre la banda de transmisión y la de rechazo. La figura 6.18 muestralas características de transmisión de las cuatro categorías.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROSCARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROSCARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROSCARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROSCARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROSFrecuencia de corte (Fc)Frecuencia de corte (Fc)Frecuencia de corte (Fc)Frecuencia de corte (Fc)Frecuencia de corte (Fc)La frecuencia de corte es aquella donde la ganancia se reduce

0,707 veces respecto a la ganancia central, lo que equivale a lafrecuencia donde la atenuación del filtro es 3 dB. De la figura 6.18se deduce que los filtros pasa bajas y pasa altas tienen sólo unafrecuencia de corte, mientras que los pasa y rechaza banda tienendos frecuencias de corte, una inferior Fc1 y otra superior Fc2.

Ancho de Banda (BW)Ancho de Banda (BW)Ancho de Banda (BW)Ancho de Banda (BW)Ancho de Banda (BW)El ancho de banda (bandwidth o BW) es el rango comprendido

entre la frecuencia de corte inferior y superior, así:

BW = Fc2 – Fc1

Frecuencia central FoFrecuencia central FoFrecuencia central FoFrecuencia central FoFrecuencia central FoLos filtros pasa banda son geométricamente simétricos respecto

a una frecuencia central, conocida también como frecuencia deresonancia. La frecuencia central puede ser calculada por mediode la siguiente ecuación:

Fo = (Fc1 x Fc2)

Factor de calidad (QFactor de calidad (QFactor de calidad (QFactor de calidad (QFactor de calidad (Qo)))))Es la relación que existe entre la frecuencia central y el ancho

de banda. Se conoce también como factor de selectividad y aplicaúnicamente a los filtros pasa banda. Se expresa como:

Otra forma de expresar la selectividad de un filtro es por mediodel porcentaje del ancho de banda, el cual se define como:

Qo = =Fo

Fc2 – Fc1

Fo

BW

% BW = x100Fc2 – Fc1

Fo

179

Alvaro Tucci R.

Atenuación (Av)Atenuación (Av)Atenuación (Av)Atenuación (Av)Atenuación (Av)La atenuación es la relación entre el voltaje de salida (Vs) y el

voltaje de entrada (Ve). La atenuación se expresa normalmenteen dB y es daba por:

FILTROS PASIVOS Y ACTIVOSFILTROS PASIVOS Y ACTIVOSFILTROS PASIVOS Y ACTIVOSFILTROS PASIVOS Y ACTIVOSFILTROS PASIVOS Y ACTIVOSLos filtros están formados por bobinas, condensadores,

resistencias, cristales o resonadores mecánicos y amplificadores.Los amplificadores discretos u operacionales combinados conreactancias y resistencias forman los llamados filtros activos. Losfiltros pasivos no incluyen entre sus componentes elementosactivos y raramente se eplean en instrumentación médica. Los filtrosactivos, por su rango de frecuencia y características de atenuación,son los más empleados. La figura 6.19 muestra los rangos defrecuencia para los diferentes tipos.

Figura 6.19. Rango de frecuencia de diferentes tipos de filtros

FILTROS LCFILTROS LCFILTROS LCFILTROS LCFILTROS LCLos filtros constituidos con inductancias y capacitancias son

adecuados para frecuencias desde algunas decenas de Hz hastacentenas de KHz. Para frecuencias menores, los valores de las bobinasy los condensadores pueden ser tan elevados que su diseño esprácticamente irrealizable. Para frecuencias mayores, las capacidadese inductancias parásitas limitan su uso.

Av(dB) = 20logVs

Ve

180


FILTROS ACTIVOSFILTROS ACTIVOSFILTROS ACTIVOSFILTROS ACTIVOSFILTROS ACTIVOSLos filtros activos empleados en instrumentación médica se

construyen preferentemente con amplificadores operacionales,cuya frecuencia de operación está comprendida entre la tensióncontinua y los 500 KHz. Para este rango de frecuencias no existenlimitaciones serias en su diseño. El empleo de los amplificadorespermite además el acoplamiento de impedancias en formarelativamente independiente de la frecuencia.

Los componentes de los filtros activos comprenden ademásredes RC integradas o formadas por componentes discretos. Lafigura 6.20a, muestra la configuración de un filtro activo pasa bajas.Este circuito tiene muy baja impedancia de salida y la propiedad deamplificar. Su frecuencia de corte es dada por:

La figura 6.20b muestra la configuración de un filtro activo pasaaltas. Es empleado para amplificar pequeñas señales que pudieran“cabalgar” sobre tensiones continuas de mayor magnitud. Nóteseque Ci bloquea toda componente de corriente continua. Sufrecuencia de corte es dada por:

La figura 6.20c muestra la configuración de un filtro activo pasabanda, que no es más que la combinación de un filtro pasa bajas y unfiltro pasa altas, construidos con un solo amplificador operacional.Es útil para amplificar una banda definida de frecuencias, como porejemplo las requerida para registrar los latidos del corazón o lasseñales propias de un electroencefalógrafo. Las frecuencias de cortepueden determinarse mediante las mismas ecuaciones anteriores.

ORDEN DE LOS FILTROSORDEN DE LOS FILTROSORDEN DE LOS FILTROSORDEN DE LOS FILTROSORDEN DE LOS FILTROSEl orden de los filtros, es una característica relacionada con la

pendiente de la atenuación entre las banda de conducción y derechazo. Para mayor atenuación se recurre a filtros de ordensuperior. Por ejemplo, los filtros de primer orden atenúan lasseñales a razón de 6 dB por octava, los de segundo orden 12 dB

F2 =1

2πRiCi

F1 =1

2πRfCf

181

Alvaro Tucci R.

por octava, los de tercer orden 18 dB por octava y asísucesivamente.

Figura 6.20. Filtros activos: (a) Filtro pasa baja; (b) Filtro pasa alta;(c) Filtro pasa banda.

La figura 6.21 muestra un filtro de segundo orden tipoButterworth. (Filtros muy empleados y fáciles de construir quederivan su nombre de quien los implementó). Los elementos quelos componen son de uso común y aceptan componentes discretosde tolerancias normales.

La realimentación que introduce Z1 genera una meseta másplana en la banda de conducción, similar a la que producirían variosfiltros en cascada.

A partir del circuito básico mostrado en la figura 6.21, se puedendiseñar filtros pasa bajas, pasa altas o pasa banda. El tipo de filtroque se diseñe depende de los valores que se le asignen a lasimpedancias complejas Z1, Z2, Z3 y Z4.

Si se asume que el amplificador operacional es ideal; la gananciadel filtro se deriva de la aplicación de la Ley de los Nodos en (1) y (2).

En el nodo (1) se obtiene:

V1 – Vin

Z3 +

V1 – Vout

Z1 +

V1 – Vout

Z4 = 0

182


Figura 6.23. Filtro tipo Butterworth pasa alta de segundo orden

En el nodo (2) se obtiene:

Despejando V1 de la segunda ecuación y sustituyéndolo enla primera, se obtiene la ganancia del sistema que es dada por:

La ecuación anterior es la fórmula general que expresa laganancia de un filtro de segundo orden. Para filtros específicos, losvalores de las impedancias se sustituyen por los valores reales, locual generalmente conduce a la simplificación de la ecuación.

Se toma como ejemplo un filtro pasa bajas de segundo ordentipo Butterworth, con atenuación de 12 dB por octava, como elmostrado en la figura 6.22 . Se asume que C1 = 2C2. Para obtener lafórmula que expresa la ganancia se sustituyen los valoresespecíficos de las impedancias en la fórmula general,así:

Av =Vout

Vin =

Z4

Z21 +

Z3

Z11 +

Z3

Z4+

Z3

Z1

Z3

Z4+( ) ( ) ( )

1

Z1 = ,1

jwC1Z2 = ,

1

jwC2Z3 = R, Z4 = R ,

Vout

Z2 +

Vout – V1

Z4 = 0

183

Alvaro Tucci R.

Figura 6.22. Filtro Butterworth de segundo orden pasa bajas

Entonces en el filtro de la figura 6.22 la ganancia es dada por:

....( 6.11)

y la frecuencia de corte es:

La figura 6.23 muestra un filtro Butterworth pasa altas desegundo orden donde se cumple que R2 = 2R1.

La frecuencia de corte es dada por:

Figura 6.23. Filtro tipo Butterworth pasa alta de segundo orden

Av =1

(1 + j2πfRC2 ) (2 + j2πfRC1) (1 + j2πfRC1 )

Fc =1

2πR C1C2

Fc = 1

2πC R1R2

184


El filtro Butterworth pasa bajas es quizás el más empleado eninstrumentación médica. Su respuesta a frecuencias en el centro dela banda es muy plana y algo redondeada en la cercanía de lasfrecuencias de corte.

La figura 6.24 muestra la configuración de un filtro tipoButterworth pasa bajas con dos secciones de filtrado.

Figura 6.24. Filtro tipo Butterworth pasa bajas con dos secciones de filtrado

Los filtros de tercer orden pueden obtenerse agregando unaetapa adicional a los filtros de segundo orden. La figura 6.25 muestraun filtro pasa bajas de tercer orden.

Figura 6.25. Filtro tipo Butterworth pasa bajas de tercer orden

Puesto que los amplificadores operacionales proveenaislamiento entre etapas, la ganancia total se obtiene del productode la ganancia de la primera etapa por la ganancia de la segunda.

185

Alvaro Tucci R.

Como se vio anteriormente, la ganancia de la primera etapa Av1es dada por la ecuación 6.11 y la ganancia de la segunda etapa Av2es dada por la siguiente ecuación

La ganancia total es entonces Av1 x Av2.

El filtro sigue la respuesta Butterworth si se cumple que:C1= 2C3 y C3=2C2. La frecuencia de corte es entonces dada por:

FILTROS RECHAZA BANDAFILTROS RECHAZA BANDAFILTROS RECHAZA BANDAFILTROS RECHAZA BANDAFILTROS RECHAZA BANDAEn los equipos electromédicos la frecuencia que causa más

interferencia es la de la línea de 60 Hz. Otras frecuencias que podríancausar interferencia son las próximas a 500 KHz utilizadas por loselectrobisturís y las cercanas a los 2 MHz empleadas por los equiposde ultrasonidos.

En estos casos el empleo de filtros de banda estrecha “liberan” a laseñal de interés de estos componentes sin introducir excesivadistorsión. Por ejemplo, en el caso de la señal electrocardiográfica,compuesta por frecuencias de hasta 100Hz, un filtro de 60 Hz la “libera”de esta interferencia.

Un filtro rechaza banda con ganancia –1 construido conamplificador diferencial formado por tres operacionales se muestraen la figura 6.26.

Puesto que es un amplificador balanceado, se cumple que:

Vout = Vb – Va

La señal de entrada Vin es aplicada simultáneamente a losoperacionales A y B. El operacional A recibe una fracción de latensión de entrada dada por:

Va = 1/3 Vin

AV2 = =1/(jωC3)

R + 1/(jωC3)1

1 + jωRC3

Fc =1

2πR C1C2C33

186


El operacional B recibe una fracción de la señal de entrada Vin dadapor:

donde: Xp representa la impedancia del condensador y la resistenciaen paralelo, y Xs representa la impedancia del condensador y laresistencia en serie. Por lo tanto:

La gananciaa del circuito es.

............(6.12)

Figura 6.26. Filtro rechaza banda con amplificador diferencial.

EjemploEjemploEjemploEjemploEjemplo: Considérese el circuito amplificador rechaza bandade 60Hz mostrado en la figura 6.26, donde R = 2652.6ohmios,

R1 = 10Kohmios, R2 = 5Kohmios, y C = 1μF.

Vb =Xp

Xs + Xp Vin

AV =1

3

Xp

Xs + Xp +

Vout =1

3

Xp

Xs + Xp ( + Vin )

187

Alvaro Tucci R.

La ganancia en función de la frecuencia calculada por medio dela ecuación (6.12) es 0,149.

Si se expresa en dB se obtiene:

AV = (dB) = 20 log 0,149 = –16,5 dB

Los resultados para diferentes frecuencias expresados en formagráfica se muestran en la figura 6.27.

En la gráfica se nota cómo la frecuencia de 60Hz es fuertementerechazada. A esta frecuencia se le conoce como frecuencia dehendidura (notch frequency) la cual, según los cálculos, es atenuada116 dB

Se verifica que la frecuencia de hendidura FN para el filtro de lafigura 6.26 es dada por:

.........................(6.13)

Figura 6.27. Características de ganancia de un filtro que rechaza los 60 Hz. calculado a partir de los datos del ejemplo.

FN =1

2πRC

= 1

2π x 2652,6 x 10–6

= 60 Hz

188


Por medio de la ecuación (6.13) el filtro puede ser calculadopara otras frecuencias de hendidura.

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Alvaro Tucci R.

El ElectrocardiogramaEl ElectrocardiogramaEl ElectrocardiogramaEl ElectrocardiogramaEl Electrocardiograma

CAPÍTULO 7

EEEEEn nuestra época, en que las enfermedades cardíacas son másfrecuentes, se acepta que el electrocardiograma o ECG es un estudiorelativamente sencillo que permite la evaluación de la funcióncardíaca. El corazón, como músculo al fin, es excitado por estímuloseléctricos, y el ECG no es más que el registro de esa actividad.

Desde los tiempos de Galvani se sabía que los músculos sonexcitados por pequeños potenciales eléctricos; parecía entoncesnatural suponer que el músculo cardiaco, en su rítmico latir, seríaexcitado por potenciales eléctricos periódicos. Se pensó ademásque el estudio de estos potenciales podría conducir aldiagnostico de algunas de sus enfermedades.

Para la época, el problema a resolver era cómo medir lospequeños potenciales con suficiente precisión. El fisiólogo holandésWillem Einthoven (1860 – 1927) desarrolló en 1903 un galvanómetrode hilo cuya exactitud fue suficiente para medir las variaciones delpotencial eléctrico generado por el corazón. El resultado fue elelectrocardiograma. Por su aporte al desarrollo de laelectrocardiografía, Einthoven recibió el Premio Nobel de Medicinay Fisiología en 1924.


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Instrumentación Biomédica / El Electrocardiograma

ORIGEN DE EL ELECTROCARDIOGRAMAORIGEN DE EL ELECTROCARDIOGRAMAORIGEN DE EL ELECTROCARDIOGRAMAORIGEN DE EL ELECTROCARDIOGRAMAORIGEN DE EL ELECTROCARDIOGRAMADurante el ciclo cardíaco, cuando una porción del miocardio se

despolariza y se vuelve eléctricamente negativa respecto al restodel corazón, se crean dos regiones que se comportan como undipolo. En estas regiones se establecen dos cargas del mismo valorde polaridad opuesta, que dan origen a un campo eléctrico y acorrientes que circulan por el tórax. La representación del campoeléctrico creado por el dipolo se ilustra en la figura 7.1.

Desde el punto de vista electrocardiográfico, el corazón puedeser considerado como un generador eléctrico, representado porun dipolo localizado dentro de sus límites, que se desplaza de unlugar a otro de acuerdo a su actividad y cuya tensión varíacíclicamente.

Figura 7.1. Dipolo cardíaco y líneas equipotenciales

El tórax puede ser visto como una carga resistiva conectada aldipolo por donde circula la corriente. Si se colocan dos electrodosen puntos diferentes del tórax, se puede medir la diferencia depotencial entre esos dos puntos. Dicha diferencia depende de lamagnitud del dipolo, de la orientación de los electrodos y de laresistencia de los tejidos corporales interpuestos.

La diferencia de potencial es proporcional al coseno del ánguloentre el eje del dipolo y el eje de los electrodos y disminuye con ladistancia de la fuente. Su valor es máximo cuando estos ejes sonparalelos y es cero cuando son perpendiculares. Al eje de loselectrodos se le llama eje de la derivación.

La figura 7.2 ilustra las relaciones anteriores reducidas a un plano.El vector Ve representa la diferencia de potencial sobre loselectrodos, a es el ángulo formado entre los ejes, y k es una

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Alvaro Tucci R.

constante que depende del voltaje instantáneo y de la resistenciade los tejidos corporales interpuestos entre el dipolo y loselectrodos. Las líneas equipotenciales son zonas que en unmomento dado están al mismo potencial.

La diferencia de potencial entre los electrodos da origen alelectrocardiograma, que es una representación gráfica de susvariaciones recogidas por los electrodos durante el ciclo cardíaco.Los cambios de potencial para un ECG normal describen la curvacaracterística mostrada en la figura 7.3.

Figura 7.2. Dipolo, líneas equipotenciales y electrodos

Figura 7.3. El electrocardigrama o ECG normal

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Las principales características de esta curva son:La duración del complejo QRS de 70 a 110 ms.El intervalo RR entre dos ondas sucesivas de 600 a 1000 ms.El intervalo PR de 150 a 200 ms.El intervalo ST de unos 320 ms.

En el siguiente análisis se asume que el ciclo cardíaco comienzadespués del periodo de reposo del corazón. Cuando se despolarizael nodo SA, el tejido a su alrededor se vuelve negativo respecto alresto del miocardio que permanece todavía polarizado. Por lo tanto,se crea un dipolo que se establece entre la zona donde reside elnodo SA y el resto del miocardio.

El potencial eléctrico creado por el dipolo hace que circuleuna corriente en tal dirección que el brazo izquierdo (Left Arm oLA) es positivo respecto al brazo derecho (Right Arm o RA). Lacorriente alcanza su valor máximo unos 40 ms después que seinicia la despolarización y crea la onda P. Tal situación se muestraen la figura 7.4a. Después de unos 90 ms la aurícula estácompletamente despolarizada y la tensión cae a cero.

La despolarización de las aurículas se transmite al ventrículoderecho a través del nodo AV que actúa como una "línea de retardo".En él se genera una demora de unos 110 ms. Transcurrido estetiempo, parte del músculo del ventrículo también comienza adespolarizarse. Una porción izquierda se vuelve negativa respectoa la todavía polarizada porción derecha. Se crea así otro dipolo quehace que el brazo izquierdo sea positivo respecto al derecho. Deeste modo se produce la onda R mostrada en la figura 7.4b, quealcanza su valor máximo unos 250 ms después de iniciado el ciclo.

Se observa que el área bajo la curva de la onda R es mayor queel área bajo la curva de la onda P. La diferencia se debe a que lamasa ventricular es mayor que la auricular. En la contracciónventricular un mayor número de células contribuyen a incrementarel área bajo la curva.

La onda T, representada en la figura 7.4c, se produce en formasimilar al repolarizarse el músculo cardíaco. Es positiva debido a quela repolarización se inicia en la superficie interna de las cavidades delcorazón y se desplaza hacia la superficie externa, mientras que lapolarización precedente se produjo en sentido contrario.

La onda P representa la actividad eléctrica de la aurícula; el

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Alvaro Tucci R.

intervalo PQ es el tiempo requerido para la despolarización auriculary la conducción del impulso a través del nodo AV.

El complejo ventricular o complejo QRS se produce cuando sedespolarizan los ventrículos. El intervalo QR, conocido como tiempode activación ventricular, corresponde a la propagación de la ondade despolarización desde el endocardio hasta la superficieepicárdica.

Figura 7.4. El corazón como fuente del ECG

El segmento ST es un periodo de inactividad eléctrica, que sepresenta después que la totalidad del miocardio se ha desporalizado.La onda T indica la repolarización de los ventrículos. El intervalo QT

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es el tiempo requerido para la despolarización y repolarización delos ventrículos. La onda U, no siempre presente, se debe a algunospotenciales que se forman al principio de la diástole.

Después de la anda T el músculo cardíaco entra en un periodode reposo, caracterizado por la falta de actividad eléctrica. El trazoelectrocardigráfico toma la forma de una línea plana horizontalllamada línea basal o isoeléctrica. Luego del reposo, con otra onda Pse reinicia un nuevo ciclo.

El intervalo RR es el tiempo que transcurre entre dos ondassucesivas llamado período. Las pulsaciones por minuto (ppm) secalculan a partir del periodo, utilizando la siguiente igualdad:ppm =60/RR

Si el intervalo RR es, por ejemplo, de 800 ms, las pulsacionespor minuto son: 60/0,8 = 75 ppm.

DERIVACIONES ELECTROCARDIOGRÁFICASDERIVACIONES ELECTROCARDIOGRÁFICASDERIVACIONES ELECTROCARDIOGRÁFICASDERIVACIONES ELECTROCARDIOGRÁFICASDERIVACIONES ELECTROCARDIOGRÁFICASLos potenciales eléctricos provenientes de la actividad

cardíaca pueden ser recogidos en la superficie corporal medianteelectrodos conectados a la entrada de un electrocardiógrafo.

A la disposición de los electrodos sobre el tórax se le llamanderivaciones. Habitualmente, en los registros clínicoselectrocardiográficos se emplean doce derivaciones que se agrupande la manera siguiente:

Tres derivaciones estándar de los miembros; Vi, Vii, y Viii.Tres derivaciones aumentadas de los miembros; aVR, aVL, aVF.Seis derivaciones precordiales; V1, V2, V3, V4, V5, V6.

DERIVACIONES ESTANDARDERIVACIONES ESTANDARDERIVACIONES ESTANDARDERIVACIONES ESTANDARDERIVACIONES ESTANDARLa relación entre las distintas derivaciones, la polaridad y la

magnitud de los voltajes que se generan se comprende mejor sise recurre al concepto de vector.

Una magnitud como el voltaje se puede representar por unvector. Un vector no es más que un segmento de línea recta conuna flecha en la punta. La longitud del segmento es proporcional ala magnitud del voltaje. Si un segmento de 1cm representa 5voltios,otro de 2 cm representará 10 voltios. La dirección del voltaje esindicada por la orientación del vector y la polaridad por el sentidode la flecha. Se conviene que la flecha va dirigida de negativo apositivo.

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Alvaro Tucci R.

Un vector puede representar un voltaje instantáneo. El voltajeinstantáneo es aquel presente en un momento dado, y no esnecesariamente el mismo un instante después. Si el voltaje varíaen magnitud, dirección y/o sentido, el vector que lo representaseguirá esas variaciones. Por lo tanto, su magnitud, dirección ypolaridad deben cambiar en la misma forma en que lo hace el voltajeque representa. En el caso particular del ECG los voltajes cambianconstantemente.

Los biopotenciales instantáneos de las tres derivaciones estándarson representados por medio de vectores en la figura 7.5.

Los potenciales instantaneos son reemplazadps por pilas.Susbornes se unen para formar un triángulo históricamente conocidocomo Triángulo de Einthoven.

Figura 7.5. Representación vectorial de las derivaciones estándar

La segunda Ley de Kirchhoff o Ley de las Mallas establece que:"En todo circuito cerrado, la suma de las caídas de tensiones debeser igual a la suma de los voltajes generados"

Se concluye entonces de la figura 7.5 que voltaje instantáneoVii debe ser igual a la suma vectorial de los voltajes instantáneos Viy Viii, así:

Vii = Vi + Viiidonde:

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Vi es el voltaje medido entre los dos brazos.Vii es el voltaje entre el brazo derecho y la pierna

izquierda.Viii es el voltaje entre el brazo izquierdo y la pierna

izquierda.

La figura 7.6 es la representación gráfica de las tres derivacionesestándar durante un ciclo cardíaco completo. En ella se observaque para cada instante se cumple la igualdad anterior.

Para medir las tres derivaciones estándar se recurre a loscircuitos de la figura 7.7. y las gráficas resultantes se muestra en lafigura 7.8.

Figura 7.6. Vii es la suma instantanea de Vi y Viii

La representación electrocardiografica varía considerablementede una persona a otra; depende del lugar donde se coloquen loselectrodos y del tamaño y condiciones físicas del paciente. Para lasderivaciones estándar, la máxima y mínima amplitud consideradanormal expresada en milivoltios (mv) se muestran en la tabla 7.1.

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Alvaro Tucci R.


Punto en la curva Punto en la curva Punto en la curva Punto en la curva Punto en la curva Vi (mv) Vi (mv) Vi (mv) Vi (mv) Vi (mv) Vii (mv) Vii (mv) Vii (mv) Vii (mv) Vii (mv) Viii (mv) Viii (mv) Viii (mv) Viii (mv) Viii (mv)

P 0,01 a 0,12 0,00 a 0,19 0,00 a 0,13 Q 0,00 a 0,16 0,03 a 0,18 0,00 a 0,28 R 0,07 a 1,13 0,18 a 1,68 0,03 a 1,31 S 0,00 a 0,36 0,06 a 0,49 0,00 a 0,55 T 0,06 a 0,42 0,06 a 0,55 0,00 a 0,30

Figura 7.7. Medida de las tres derivaciones estándar

DERIVACIONES AUMENTADASDERIVACIONES AUMENTADASDERIVACIONES AUMENTADASDERIVACIONES AUMENTADASDERIVACIONES AUMENTADASLas tres derivaciones aumentadas se obtienen por medio de

las conexiones mostradas en la figura 7.9. Dichas derivaciones sondenominadas: voltaje aumentado para el brazo derecho o aVR(Augmented Voltage Right arm), voltaje aumentado para el brazoizquierdo o aVL (Augmented Voltage Left arm) y voltaje aumentadopara el pie izquierdo o aVF (Augmented Voltage left Foot).

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Figura 7.8. ECG normal para las tres derivaciones estándar

Para medir estas derivaciones, se conecta el polo positivodel electrocardiógrafo al miembro indicado por el nombre de laderivación y el polo negativo al Terminal Central de Goldberg oCTg. El terminal central se crea al unir mediante resistencias lasotras dos derivaciones de los miembros, tal como lo muestra lafigura 7.9.

Figura 7.9. Conexiones para las derivaciones aumentadas

En este caso, el ECG registrará la diferencia de potencial entreel miembro explorado y el voltaje promedio de los otros dos

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Alvaro Tucci R.

miembros unidos al Terminal Central de Goldberg. Las tresresistencias que se unen para formar el terminal son del mismovalor y mucho más pequeñas que la impedancia de entrada delelectrocardiógrafo.

Para calcular el voltaje aumentado a partir del voltaje estándar, seemplean las siguientes ecuaciones derivadas de la segunda ley deKirchhoff.

aVR = - Vi - (Viii/2)aVL = Vi - (Vii/2)aVF = Vii - (Vi/2)

DERIVACIONES PRECORDIALESDERIVACIONES PRECORDIALESDERIVACIONES PRECORDIALESDERIVACIONES PRECORDIALESDERIVACIONES PRECORDIALESPara la medida electrocardiográfica de las seis derivaciones

precordiales se emplea el electrodo C, que se coloca en lugaresmuy específicos del tórax. El electrodo C está conectado al terminalno inversor del amplificador diferencial, tal como se muestra en lafigura 7.10.

En este caso, el terminal inversor del amplificador diferencial seconectada a un punto de referencia, conocido como Terminal Centralde Wilson o CTw, cuyos ramales van unidos por medio de tresresistencias de igual valor R, al brazo derecho, al brazo izquierdo ypierna izquierda.

Figura 7.10. Conexión para derivaciones precordiales

La figura 7.11 muestra las gráficas resultantes de las seisderivaciones precordiales. Dichas gráficas son muy dependientes

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de la posición anatómica donde se coloca el electrodo C enel tórax.

Figura 7.11. Gráficas precordiales para diferentes posiciones del electrodo C

El hecho de que los registros precordiales sean muydependientes de la posición del electrodo C abre la posibilidad deidentificar regiones de funcionamiento anormales en el corazón.

Los seis lugares normalizados en el tórax donde se coloca elelectrodo C son:V1 Cuarto espacio intercostal en la margen derecha del esternón.V2 Cuarto espacio intercostal en la margen izquierda del esternón.V3 En el punto medio entre V2 y V4.V4 En el quinto espacio intercostal sobre la línea media de la clavícula.V5 En el mismo nivel que V4 sobre la línea anterior de la axila.V6 En el mismo nivel que V4 sobre la línea media de la axila.

La selección de las diferentes derivaciones estándar,aumentadas y precordiales, las efectúa el operador accionandoel selector de derivaciones que normalmente está situado enla parte frontal del electrocardiógrafo.

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Alvaro Tucci R.

REDUCCIÓN DE LOS VOLTAJESREDUCCIÓN DE LOS VOLTAJESREDUCCIÓN DE LOS VOLTAJESREDUCCIÓN DE LOS VOLTAJESREDUCCIÓN DE LOS VOLTAJESEN MODO COMÚNEN MODO COMÚNEN MODO COMÚNEN MODO COMÚNEN MODO COMÚN

Las señales en modo común, como el ruido de 60Hz, seanalizaron en un capítulo precedente y se determinó que su efectopuede reducirse aprovechando las características de rechazo enmodo común de los amplificadores diferenciales. Para reducir aunmás el ruido, se recurre a la técnica de la realimentación negativa,que produce una efectiva disminución del voltaje en modo comúnen el cuerpo del paciente.

La realimentación negativa es un procedimiento mediante el cualparte de la señal de salida es reenviado a la entrada de forma quese oponga a los cambios en la salida.

En las figuras 7.7 y 7.10 se observa la presencia de un amplificadoroperacional llamado CM (Common mode reduction amplifier). Elamplificador recibe en su entrada parte de la señal de salida delamplificador diferencial, la invierte y la realimenta en la pierna derecha.Por tal motivo en el cuerpo del paciente las señales comunes se restan.Esta técnica es muy efectiva para la reducción del ruido y esampliamente utilizada en equipos e instrumentos.

ALGUNAS ANOMALÍASALGUNAS ANOMALÍASALGUNAS ANOMALÍASALGUNAS ANOMALÍASALGUNAS ANOMALÍASLas variables electrocardiográficas más importantes son:

magnitud, polaridad y relativa duración de cada segmento. Elelectrogardiograma, desde un punto de vista clínico, debe serevaluado por un médico especialista. Sin embargo, con el propósitode resaltar la utilidad del ECG se citan algunos ejemplos.

El intervalo PR extendido, indica que existe un incremento en eltiempo de conducción en el nodo AV. Un ensanchamiento delcomplejo QRS puede ser debido a la conducción impropia de lafibra nerviosa del haz de His. El incremento del intervalo ST puedeindicar que ha ocurrido un infarto. La onda T negativa puede indicarinsuficiencia coronaria.

La fibrilación ventricular es una condición crítica generalmentefatal. En ella se pierde el complejo QRS. La pérdida de este complejoindica que el ventrículo no se está contrayendo y por supuesto lacirculación sanguínea es casi inexistente. En estas condiciones, laforma de onda mostrada en el ECG tiene componentes de frecuenciamayores a los normales, ya que la fibrilación misma es de altafrecuencia. Su detección y el diagnóstico son casi automáticos.

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La fibrilación auricular se produce cuando la aurícula no secontrae. Es una afección menos seria que se manifiesta en el ECGpor la ausencia de la onda P. El aleteo auricular (atrial flutter), dondela aurícula no se contrae y fibrila a una frecuencia menor, tampocoes condición crítica. En ambos casos se mantiene la circulaciónsanguínea ya que el complejo QRS está presente.

Los latidos ectópicos se originan en un nodo diferente del nodoSA. Este otro nodo puede ser congénito o generarseespontáneamente durante la vida. Produce latidos fuera desincronismo causantes de contracciones auriculares o ventricularesprematuras.

Figura 7.12. Electrocardiogramas anormales

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Alvaro Tucci R.

El electrocardiógrafoEl electrocardiógrafoEl electrocardiógrafoEl electrocardiógrafoEl electrocardiógrafo

CAPÍTULO 8

EEEEEn el capítulo anterior se determinó que los latidos del corazóngeneran señales eléctricas, que registradas en una gráfica conocidacomo electrocardiograma, facilitan el diagnóstico de la funcióncardíaca. Dicha gráfica se conoce también con las iniciales ECG y aveces por las iniciales en alemán EKG.

El potencial eléctrico generado por el corazón se extiendepor todo el cuerpo y puede detectarse si se colocan electrodosen su superficie.Sin embargo, para conocer razonablemente laactividad eléctrica del músculo cardíaco deben realizarse variasmediciones, para lo cual se colocan los electrodos en zonas muyespecíficas y estandarizadas, conocidas como derivaciones.

EL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEL ELECTROCARDIÓGRAFOEl electrocardiógrafo es un instrumento electromecánico

empleado para registrar los biopotenciales generados por laactividad eléctrica del músculo cardíaco. Se presentan en formade gráfico sobre papel calibrado o sobre la pantalla de un tubo derayos catódicos o de cristal líquido. La figura 8.1 muestra su diagramaen bloques.

El aparato está constituido por varios electrodos superficiales,un cable múltiple, un selector de derivaciones, un amplificadordiferencial, un amplificador de potencia o «driver», un registrador X-T de papel térmico y varias fuentes de poder que los alimenta.

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Instrumentación Biomédica / El electrocardiógrafo

La American Heart Association es el organismo encargado deestablecer y estandarizar las características principales que debereunir un electrocardiógrafo. De esta manera las gráficas puedenser analizadas por los médicos de cualquier parte del mundo sinnecesidad de la conversión de los datos. Las principalescaracterísticas dictadas por esa institución son:1.- Respuesta a la frecuencia de 0,1 Hz a 100 Hz. divididos así: +/- 0,5dB de 0,1Hz hasta 25 Hz y +/- 3dB de 25Hz hasta 100Hz.2.- Linealidad y distorsión no mayor del 5%, cuando el estilete recorre 50 mm sobre todo el rango de frecuencia.3.- Voltaje de entrada hasta 10 mV p-p.4.- Impedancia de entrada entre un electrodo cualquiera y tierra

debe ser que mayor de 5 Mohmios La medida se hace con el resto de los electrodos conectados a

tierra.5.- Corriente de entrada no mayor que 1mA. Aunque las normas de

seguridad permiten que por el paciente puedan fluir hasta 10mV,la corriente de entrada no debe exceder ese valor.

6.- Normalmente el operador debe poder seleccionar la sensibilidadde 5, 10, o 20 mm/mV.

7.- Debe estar provisto de una señal calibración de 1mV y un sistemade ajuste de ganancia. La señal de calibración, que se aplica a laentrada del amplificador, debe producir una desviación en el papelde 10 mm.

8.- La velocidad del papel debe ser de 25 mm/seg. Existen equiposde propósito especial que tienen velocidad de 50 mm/seg.

9.- Debe estar previsto de un sistema que produce una marca en elpapel cada segundo.

10.- Los electrodos y su correspondiente posición anatómica seidentifican por colores y por dos letras según la tabla siguiente.

Blanco Brazo derecho RA (Right Arm)Negro Brazo izquierdo LA (Left Arm)Verde Pierna derecha RL (Right Leg)Rojo Pierna izquierda LL (Left Leg)Marrón Pecho C (Chest)

La figura 8.1 muestra el diagrama en bloques de un

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Alvaro Tucci R.

electrocardiógrafo portátil de uso general. El equipo está unidoal paciente por medio de electrodos que "recogen" las señaleselectrocardiográficas, excepto uno que "inyecta" una señal a lapierna derecha del paciente.

Figura 8.1. Diagrama en bloques de un electrocardiógrafo

LOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOSLOS ELECTRODOS Los electrodos “recogen” el voltaje de la superficie del cuerpo

para que sea «visto» por los circuitos electrónicos que componenel electrocardiógrafo. Ellos están unidos al instrumento por mediode un cable múltiple y están representados en la figura 8.1 porpuntos negros sobre la superficie del paciente.

Los electrodos más empleados están construidos por una placaconductora, generalmente metálica, de aleación plata–níquel yfabricados de diferentes formas. Entre los electrodos y la piel secoloca la pasta electrolítica o gel, que cumple la función de electrolitoy mantiene un buen contacto.

Los electrodos superficiales están provistos de un sistema decorreas que los sujeta firmemente en la posición adecuada mientrasse realiza el examen. Los electrodos deben mantenerse en buenestado, limpios y libres de óxido.

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En aplicaciones quirúrgicas se emplean electrodos desechablesque tienen incorporada una sustancia adhesiva y pasta electrolítica.Son flexibles y se adaptan a la forma del cuerpo; son livianos yconstruidos con sustancias antialérgicas, especialmente losdiseñados para ser utilizados por largo tiempo.

CIRCUITO DE PROTECCIÓNCIRCUITO DE PROTECCIÓNCIRCUITO DE PROTECCIÓNCIRCUITO DE PROTECCIÓNCIRCUITO DE PROTECCIÓN Los pacientes sujetos a operaciones quirúrgicas están

normalmente conectados a un monitor cardíaco. Si la prácticainvolucra el empleo de unidades de desfibrilación oelectroquirúrgicas, al paciente le son aplicadas tensiones elevadasque pueden alcanzar el monitor cardíaco a través de los electrodosy dañar sus circuitos.

Para evitar este inconveniente, en la entrada del instrumentose coloca un circuito de protección tal como se muestra en la figura8.1. El circuito de protección resguarda el amplificador diferencial yel resto del instrumento contra las tensiones elevadas, que puedenalcanzar miles de voltios. La presencia de tensiones elevadas enel sistema altera completamente el electrocardiograma.

La figura 8.2 indica la forma de conectar los circuitos deprotección en el la entrada del electrocardiógrafo.

Figura 8.2. Sistema de protección contra sobretensiones

Los circuitos de protección son los limitadores de voltaje oclippers. La figura 8.3 muestra la curva voltaje-corriente característica

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Alvaro Tucci R.

de dichos limitadores y la configuración de algunos de ellos. En lafigura 8.3a, se observa que para tensiones pequeñas, comprendidasdentro de la porción casi horizontal de la curva característica, laresistencia del limitador es muy alta; la corriente es muy pequeña ypuede asumirse sin error apreciable, que su comportamiento es elde un circuito abierto.

Si el voltaje "recogido" por los electrodos trata de exceder loscodos de la curva, la característica del limitador cambia abruptamentede pendiente, su resistencia se vuelve muy pequeña, la corrienteaumenta al máximo y es limitada únicamente por la resistenciaohmica.

Figura 8.3. Dispositivos limitadores de voltaje y curva característica

Los circuitos limitadores de voltaje pueden ser implementadoscon diferentes componentes. La figura 8.3b indica un dispositivoque emplea dos diodos de respuesta rápida. Los diodos degermanio no conducen hasta que el voltaje aplicado excede 0,3voltios y sólo si el ánodo es positivo respecto al cátodo. Si latensión aplicada excede este valor, uno de los diodos entra enconducción y limita la tensión entre sus bornes.

La ventaja principal de este circuito es que el voltaje deconducción es pequeño. Para diodos de silicio la banda estácomprendide entre –0,6 y +0,6 voltios.

El problema que surge con el empleo de los limitadores en elcircuito de entrada es que tienden a reducir la impedancia de entradae introducen distorsión de la señal. La distorsión se debe a que el"codo de curva" característica no es tan abrupto, sino gradual. Ladistorsión se manifiesta para señales mayores de 0,1 voltio. Sin

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embargo, como la señales provenientes de los electrodos son delorden de los milivoltios, no se ven afectadas por su presencia.

Para limitadores de 1,2 voltios puede emplearse el arreglomostrado en la figura 8.3c donde se utilizan cuatro diodos desilicio. Esta configuración tiene la desventaja de presentar dobleresistencia durante la conducción.

La configuración de la figura 8.3d emplea dos diodos zener enserie. Cuando se aplica tensión sobre este circuito uno de losdiodos está polarizado en forma directa. La tensión de ruptura deldiodo polarizado en forma directa es Vd = 0,6 voltios, mientrasque el voltaje de ruptura del diodo con polarización inversa estácomprendida entre Vz = 2,7 y 100 voltios, dependiendo del tipode zener empleado. La tensión del limitador es dada por Vd + Vz.Cuando la polaridad de la tensión aplicada es invertida, la función delos diodos se intercambia.

Esta configuración ofrece la posibilidad de construir limitadorescon rango comprendido entre los 3 y 100 voltios.

Otro limitador, construido con el tubo de descarga gaseosa esmostrado en la figura 8.3e. Mientras no se alcanza el voltaje deruptura, el tubo se comporta como un circuito abierto, de locontrario pasa al estado de conducción o baja resistencia. El rangodel limitador depende del tipo de gas que contiene, pero estácomprendido entre los 50 y 90 voltios. Los tubos miniatura deneón son muy económicos pero más "lentos" que losimplementados diodos semiconductores. Para tensiones mayoresde 90 voltios pueden utilizarse varios tubos en serie.

Cuando se instalan limitadores de voltaje en paralelo con laentrada de un circuito de alta impedancia, debe considerarse suresistencia en estado de no-conducción. Una alta resistenciaminimiza el efecto de carga sobre los electrodos y no afecta laimpedancia de entrada del amplificador.

EL SELECTOR DE DERIVACIONESEL SELECTOR DE DERIVACIONESEL SELECTOR DE DERIVACIONESEL SELECTOR DE DERIVACIONESEL SELECTOR DE DERIVACIONESCada electrodo está unido por medio de un cable conductor al

selector de derivaciones. Su función es la de conectar un grupo deelectrodos a la entrada del amplificador diferencial y la salida delamplificador CM a la pierna derecha del paciente. La figura 8.4muestra la forma como se realizan las conexiones.

El operador, al mover este control colocado en el frente del

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Alvaro Tucci R.

instrumento puede seleccionar una de las tres derivaciones estándar,una de las tres aumentadas o una de las seis precordiales.

Los cuadros de la figura 8.4, colocados alrededor del selectorindican la forma como se interconectan los diferentes electrodoscon el amplificador diferencial. Así, en la posición Vi el selector conectael brazo izquierdo a la entrada no inversora del amplificador diferencial,el brazo derecho a la entrada inversora del mismo amplificador y lapierna derecha a la salida del amplificador CM. Nótese que para todaslas derivaciones la pierna derecha esta siempre conectada a lasalida del amplificador CM.

Figura 8.4. Esquema del selector de derivaciones

EL CALIBRADOREL CALIBRADOREL CALIBRADOREL CALIBRADOREL CALIBRADOREl botón de calibración es empleado por el operador, antes de

realizar el electrocardiograma, para comprobar el funcionamientodel equipo y ajustar su ganancia.

Cada vez que el operador presiona el botón, se aplica la tensiónde 1 mv a la entrada del amplificador diferencial. Al introducir en elsistema esta señal calibrada, en el registro debe obtenerse la

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desviación de 1cm. En caso contrario se ajusta el control deganancia hasta que esa desviación sea obtenida.

La calibración, aparte de suministrar la señal para el ajuste de laganancia, permite verificar el funcionamiento del equipo, ya que ladesviación de 1 cm demuestra que el amplificador y la unidad deregistro están funcionando correctamente.

Si la prueba de calibración produce el resultado esperado, peroel estudio electrocardiográfico no es correcto, deberá buscarse lafalla en los contactos de los electrodos o en los cables. Es probableque el instrumento esté cerca de una fuente de interferencia quealtera el trazo electrocardiográfico.

EL AMPLIFICADOR DIFERENCIALEL AMPLIFICADOR DIFERENCIALEL AMPLIFICADOR DIFERENCIALEL AMPLIFICADOR DIFERENCIALEL AMPLIFICADOR DIFERENCIALEs un amplificador de alta impedancia de entrada y alta relación

de rechazo en modo común. Es encargado de efectuar laamplificación de las señales provenientes de los electrodos. Enocasiones, debido a la función que realiza, se le llama pre-amplificador. Sus características, como la linealidad, el ancho debanda y la distorsión deben satisfacer las condiciones dictadas porla American Heart Assosiation.

En el circuito del amplificador diferencial, está incluido un filtropasa banda que da al instrumento las características de frecuenciaantes descritas. El filtro pasa banda se incluye con la finalidad dedejar pasar únicamente aquellas frecuencias que forman parte dela señal electrocardiográfica y suprimir las restantes, de forma queel trazo sea más nítido y fácil de interpretar. La configuración típicade un amplificador y su análisis fue descrita en un capítulo anterior.

EL CONTROL DE GANANCIAEL CONTROL DE GANANCIAEL CONTROL DE GANANCIAEL CONTROL DE GANANCIAEL CONTROL DE GANANCIALa ganancia del amplificador diferencial está gobernada por dos

controles. Un control discreto, con el que se selecciona ladesviación sobre el registro en 5, 10 o 20 mm/mv y un controlcontinuo, que permite ajustar la ganancia, de forma que la señal de1mv de calibración, origine la desviación de 10mm.

EL CONTROL DE POSICIÓN DE LA PLUMILLAEL CONTROL DE POSICIÓN DE LA PLUMILLAEL CONTROL DE POSICIÓN DE LA PLUMILLAEL CONTROL DE POSICIÓN DE LA PLUMILLAEL CONTROL DE POSICIÓN DE LA PLUMILLAEl control de posición o línea base, permite colocar la plumilla o

estilete en cualquier lugar sobre el papel. Se obtiene haciendo pasaruna corriente continua de polarización (offset current) por la bobina

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del galvanómetro que mueve la plumilla. La posición normal es elcentro del papel.

EL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEl amplificador de potencia o driver, es encargado de amplificar

la señal proveniente del amplificador diferencial, hasta el nivel depotencia apropiado para alimentar la bobina del galvanómetro. Labobina es alimentada con baja tensión y relativa alta corriente. Aella se une la plumilla que registra los movimientos sobre el papelque da origen el electrocardiograma.

El amplificador de potencia recibe la señal del amplificadordiferencial a través de un condensador de acoplamiento, conlo que se pretende minimizar el corrimiento o «drift» presenteen la salida del amplificador y evitar su "saturación".

LA UNIDAD DE REGISTROLA UNIDAD DE REGISTROLA UNIDAD DE REGISTROLA UNIDAD DE REGISTROLA UNIDAD DE REGISTROEsta unidad está formada por un registrador con velocidad del

papel y características de frecuencia antes especificadas. Constade un galvanómetro de bobina móvil que mueve un estilete caliente,que en contacto con papel térmico, registra la actividad cardíaca.Cuando el sistema de registro es de este tipo, el electrocardiógrafotiene un control adicional que regula la corriente por el estilete ypor ende la intensidad del trazo.

En algunos electrocardiógrafos no portátiles, se empleanregistradores con sistema de inscripción con tinta presurizada. Laplumilla consiste en un pequeño cabezal móvil de donde emerge latinta a alta presión desde un pequeño orificio capilar que apuntahacia el papel. La tinta, eyectada en forma de chorro casi invisible,traza el ECG. Este sistema tiene la ventaja de responder a frecuenciasmayores, puesto que en él se evita el roce del estilete con el papel.

LA FUENTE DE PODER AISLADA LA FUENTE DE PODER AISLADA LA FUENTE DE PODER AISLADA LA FUENTE DE PODER AISLADA LA FUENTE DE PODER AISLADALa fuente de poder aislada y un transformador de aislamiento

forman parte del sistema de protección. Evitan que el paciente y elpersonal que opera el equipo estén expuestos a sacudidaseléctricas. El transformador de aislamiento alimenta la fuente depoder que se caracteriza por estar muy bien aislada del chasis delinstrumento. El amplificador diferencial es alimentado por esta fuente.

El sistema de protección, aprobado por las normas de seguridadhospitalarias, consiste en un circuito que aísla eléctricamente los

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electrodos de la fuente de poder, de donde podrían generarsecorrientes que representan algún riesgo.

Como los electrodos son de baja impedancia y están colocadossobre la piel, en la región del corazón, podrían ser causa de sacudidaseléctricas peligrosas si la corriente a través de ellos excediera los10 mA. Si además durante el acto quirúrgico el paciente tienecolocado un marcapasos externo o está siendo cateterizado, elriesgo puede ser aun mayor.

Puesto que los requerimientos de potencia del amplificadordiferencial son pequeños, para así evitar el riesgo anterior algunosfabricantes prefieren alimentarlos con baterías recargables. En estecaso, el amplificador driver y la unidad de registro, cuyosrequerimientos de potencia son mayores, son alimentados por unafuente que no requiere tan alto grado de aislamiento.

EL MARCADOR DE EVENTOSEL MARCADOR DE EVENTOSEL MARCADOR DE EVENTOSEL MARCADOR DE EVENTOSEL MARCADOR DE EVENTOSA medida que se impreme el ECG, un segundo estilete térmico

colocado en la parte inferior del papel produce una pequeña marca.Esta marca, por tener un periodo de un segundo, permite al médicocardiólogo determinar con exactitud la duración de los eventos.La plumilla térmica es alimentada por un generador de impulsos.

LA FUENTE DE PODERLA FUENTE DE PODERLA FUENTE DE PODERLA FUENTE DE PODERLA FUENTE DE PODERAdemás de la fuente de poder aislada, el sistema de alimentación

del electrocardiógrafo, tiene otras tres fuentes. Una suministraenergía al amplificador driver y circuitos anexos, otra a las plumillastérmicas y la tercera al motor sincrónico que se encarga del arrastredel papel.

La fuente de poder que alimenta el amplificador diferencial y loscircuitos anexos es de corriente continua de muy bajo ruido y bienregulada, que suministra tensión positiva y negativa del orden delos +12 y –12 voltios. El amplificador driver es también alimentadocon una fuente regulada de +12 y –12 voltios, pero concaracterísticas menos exigentes que la anterior. La fuente quealimenta el motor que arrastra el papel es de corriente alternada de60 Hz. Su tensión depende del tipo de motor. La fuente de losestiletes no es regulada, es del orden de los 12 voltios y es capazde suministrar varios amperios.

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ELECTROCARDIÓGRAFOS ESPECIALESELECTROCARDIÓGRAFOS ESPECIALESELECTROCARDIÓGRAFOS ESPECIALESELECTROCARDIÓGRAFOS ESPECIALESELECTROCARDIÓGRAFOS ESPECIALESEl electrocardiógrafo descrito anteriormente es el más

generalizado. Está presente en el consultorio de todo médico cuyaespecialidad esté relacionada con la cardiología y su costo esrelativamente bajo. Sin embargo, la industria ha desarrollado otrosinstrumentos dedicados a realizar tareas específicas como las quese describen a continuación.

EL ECG FETALEL ECG FETALEL ECG FETALEL ECG FETALEL ECG FETALEl electrocardiógrafo fetal emplea un electrodo adicional que se

coloca en el abdomen de la madre. La disposición de losamplificadores diferenciales es de la forma mostrada en la figura 8.5.

El electrodo M, colocado en el pecho, referido al Terminal Centralde Wilson CTw, mide el ECG de la madre. El electrodo F colocado enel abdomen mide la suma del ECG de la madre más el ECG del feto.El ECG de la madre es más fuerte y de menor frecuencia cardíacaque el del feto. Antes de proceder a tomar el registro del fetodebe colocarse el electrodo F en varios lugares del abdomen hastaconseguir la mejor señal, cuya magnitud es del orden de los 50mv.

Debido a que la señal es muy pequeña es difícil registrarladurante la labor de parto; en esta circunstancia la madre se agitaconstantemente y genera importantes artefactos que sesobreponen a las señales provenientes del feto.

Figura 8.5. Diagrama en bloques de un ECG fetal

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Los potenciales "recogidos" son dirigidos hacia el amplificadordiferencial que rechaza la señal en modo común y amplifica la diferencia.El potencial en modo común de la madre es rechazado. En la salida delamplificador aparece únicamente la señal del feto, es decir:

(M + F) – M = F

La figura 8.6 muestra un registro típico fetal. Nótese que elcomplejo QRS de la madre es mucho mayor que el del feto, enconsecuencia este último es difícil de distinguir. Para mejorar elregistro se han empleado técnicas de realimentación implementadaspor el amplificador CM, con las cuales se minimiza el complejo QRSde la madre.

Para mejorar el registro se emplean tres electrodos. El primeroen el pecho de la madre, el segundo en la parte superior o fondode útero y el tercero en la parte inferior del útero. El ECG de lamadre se obtiene de los dos electrodos superiores y el fetal de losdos inferiores. El electrodo central es el común.

Figura 8.6. ECG típico fetal

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EL MONITOR CARDÍACOEL MONITOR CARDÍACOEL MONITOR CARDÍACOEL MONITOR CARDÍACOEL MONITOR CARDÍACOEl monitor cardíaco o cardioscopio es un instrumento utilizado

para observar el ECG durante periodos prolongados. Se empleaprincipalmente en las unidades de cuidado intensivo y en losquirófanos.

En los cuidado intensivo es utilizado en pacientes que hansufrido infarto al miocardio. En estos casos, la vigilancia es esencialdurante el período crítico, que por lo general se prolonga poralgunos días. El monitor detecta una posible arritmia cardíacatemprana, que pudiera ser fatal de no tratarla a tiempo.

En los quirófanos, durante el acto quirúrgico, mientras sesuministra anestesia, la observación del electrocardiograma ayudaal cirujano a determinar la condición en que se encuentra el pacientey la vigilancia continua fetal durante el trabajo de parto ayuda adetectar la presencia de alguna anormalidad en el feto.

La figura 8.7 muestra el diagrama en bloques del monitorcardíaco. Normalmente trabaja con un par de electrodos colocadosen el pecho. El circuito de protección evita que el monitor se dañecuando el cirujano utiliza algún tipo de electrocirugía odesfibrilación. El amplificador es del mismo tipo que el empleado enlos electrocardiógrafos de uso general.

Figura 8.7. Diagrama en bloques de un monitor cardíaco

La salida del amplificador alimenta directamente el osciloscopio.Su sistema de barrido horizontal se dispara automáticamente con

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la señal cardíaca y su velocicdad es igual a la del papel en elelectrocardiógrafo, de tal manera que la gráfica que muestra lapantalla es igual a la del papel térmico.

El graficador o la unidad de registro es del mismo tipo que elempleado en los electrocardiográficos de uso general. Es activadopor medio del comando “S” cuando el médico requiere un registropermanente.

El monitor mostrado en la figura 8.7 está provisto con un sistemaautomático capaz de registrar episodios de interés. El análisis deesos episodios permite al cardiólogo determinar la causa de ciertostrastornos, como por ejemplo, el registro electrocardiográficoprevio a una arritmia seria.

El sistema automático de registro se realiza cuando se alimentala salida del amplificador a una memoria que almacena elelectrocardiograma digitalizado de los últimos 15 segundos. Si seactúa el conmutador S, la salida de la memoria es convertida denuevo en señal analógica y empleada para alimentar el graficador.La memoria introduce un retardo de unos 15 segundos; es decir,los eventos que se observan en el registrador se produjeron 15segundos antes.

El amplificador alimenta también el cardiotacómetro que mide ymuestra al operador la frecuencia cardíaca en forma analógica odigital. El circuito de alarma se acciona automáticamente si lafrecuencia es inferior o excede a ciertos valores preestablecidospor el médico. Para sistemas automatizados, el circuito de alarmaconecta automáticamente la salida de la memoria al graficador, paraque así queden registrados los eventos que produjeron la crisis.

Si el monitor es empleado durante periodos muy largos, seproducen fallas debidas a artefactos provocados por algún malcontacto en las interfaces electrodo-paciente ya que la gel se seca.Mientras más tiempo permanecen los electrodos adosados alpaciente, más frecuentes serán las fallas. Por este motivo, esconveniente cambiarlos o limpiarlos diariamente.

Algunos monitores cardíacos tienen incorporado un sistema dealarma que indica cuando la conexión electrodo-paciente se degrada,el electrodo se desconecta o un conductor se rompe. La figura 8.8muestra el diagrama en bloques de uno de estos sistemas.

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Figura 8.8. Diagrama en bloques de un sistema de alarmaincorporado a un monitor cardíaco

El oscilador, es un generador de onda sinusoidal de 50 KHz dealta impedancia de salida que se conecta entre los electrodos a vigilar.La corriente que suministra es del orden de las décimas de miliampere,que por su alta frecuencia no representa riesgo para el paciente.

Con este sistema, en los electrodos existen dos señales; laelectrocardiográfica y la de alarma, de mucho mayor amplitud yfrecuencia. La señal de alarma se hace circular con el únicopropósito de comprobar el estado y la continuidad del circuito delos electrodos. Mientras estos permanezcan en buen estado, lacorriente que circula por ellos y por el cuerpo del pacienteproduce una caída de tensión relativamente pequeña.

Si la pasta electrolítica se seca, un electrodo se despega, unconductor se abre, o alguna conexión se deteriora, la impedanciadel circuito de los electrodos aumenta y la tensión sobre eloscilador aumenta también. Dicha variación es detectada por elcomparador, y si excede cierto valor previamente estipulado, laseñal de salida actúa la alarma como indicación de que existe unproblema de continuidad el circuito de los electrodos.

La función de los filtros es la de "separar" la señalelectrocardiográfica de la generada por el oscilador. El comparadorrecibe únicamente la señal sinusoidal, puesto que el filtro pasa bandade 50 KHz bloquea todo tipo de señal que no tenga esa frecuencia.El amplificador diferencial recibe únicamente la señalelectrocardiográfica, por tener ésta componentes de frecuenciasinferiores a los 150 Hz.

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Otra situación se presenta cuando un electrodo se despegadel paciente o se deteriora su contacto. En esta condición elcircuito de alarma presenta alta impedancia. La tensióninterelectródica aumenta considerablemente, pudiendo dañar loscircuitos electrónicos del amplificador diferencial. Por tal motivo,se coloca el circuito de protección que actúa de la forma que sedeterminó anteriormente.

EL EL EL EL EL ECGECGECGECGECG BAJO ESFUERZO BAJO ESFUERZO BAJO ESFUERZO BAJO ESFUERZO BAJO ESFUERZOAlgunas anormalidades del corazón se presentan únicamente

cuando el paciente esta sujeto a esfuerzo físico. Durante el ejercicioel gasto cardíaco aumenta ya que los músculos en movimientointenso requieren de un riego sanguíneo mayor. En condicionesde esfuerzo, por ejemplo, pudieran aparecer contraccionesventriculares paroxísticas.

En ellas, los ventrículos se contraen sin haberlo hechopreviamente las aurículas, lo que se manifiesta por la carencia de laonda P.

El ECG bajo esfuerzo se obtiene al someter al paciente a unprograma de ejercicios físicos. Usualmente camina sobre unabanda sinfín a velocidades y pendientes controladas, pedaleauna bicicleta estática con diferentes grados de frenado o realizaotro ejercicio similar, hasta lograr que los latidos del corazónalcancen un valor determinado por sus condiciones físicas.

Mientras se realizan uno de estos ejercicios, se observan yse registran algunos signos vitales tales como el ECG, la presiónarterial y la frecuencia cardíaca. A esta prueba se le conoce comoTest de Esfuerzo.

El electrocardiógrafo empleado en estos equipos está provistode filtros adicionales, destinados a minimizar y compensar por elruido proveniente de las contracciones musculares y movimientode los electrodos.

EL HOLTEREL HOLTEREL HOLTEREL HOLTEREL HOLTEREl Holter es un electrocardiógrafo portátil con suficiente

capacidad de memoria para almacenar la actividad eléctrica delcorazón durante 24 horas. Fue creado con la finalidad de descubriranomalías cardíacas “ocultas” o que aparecen espontáneamenteen forma aleatoria. El método Holter permite detectar enfermedades

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tales como las contracciones ventriculares prematuras que seproducen ocasionalmente.

Para realizar estas mediciones, Norman Holter, durante la cuartadécada del siglo XX, propuso grabar el ECG durante 24 horasmientras el paciente realiza sus actividades diarias normales. A talfin ideó registrar, por medio de un grabador portátil alimentado porpilas, el ECG en cinta magnética. En esta prueba el paciente debetener instalado el equipo con sus respectivos electrodos por lomenos durante 24 horas seguidas.

En el Holter, la velocidad de la cinta es de 1/24 de la velocidadnormal de grabación de la música. Su duración en lugar de una horadebe ser de 24 horas. Las pilas que suministran energía a los circuitoselectrónicos y el motor de arrastre de la cinta, deben tener suficientecapacidad para alimentar el instrumento durante el mismo tiempo.Con las tecnologías recientes se logra que los circuitos electrónicosy el motor de arrastre de la cinta sean de bajo consumo, con lo quese reducen sus dimensiones y el peso de las pilas.

Una vez completadas las 24 horas la lectura del registro seefectúa a alta velocidad, de forma que un observador experimentadopuede, en 12 minutos, revisar la actividad cardíaca de 24 horas.

La lectura de la cinta magnética se efectúa por sistemascomputarizados, que almacenan en sus memorias únicamenteaquellos episodios críticos para que puedan ser examinadosposteriormente por el médico especialista.

Los equipos de lectura más económicos emplean como memoriaun registro temporal, donde se descarga la información en matricesde puntos, que posteriormente son observadas en pantallas decristal líquido.

Ultimamente, debido al enorme desarrollo de memorias de estadosólido gran capacidad, la cinta megnética está siendo reemplazada.

AVERÍAS FRECUENTESAVERÍAS FRECUENTESAVERÍAS FRECUENTESAVERÍAS FRECUENTESAVERÍAS FRECUENTESLos electrocardiógrafos, ocasionalmente pueden presentar

algunas averías que el operador o el médico deben estar encapacidad de detectar. Algunas de ellas son:

El ancho de banda del equipo se reduce; no abarca el rangocomprendido entre 0,1 y 100Hz, lo que equivale a una distorsiónpor frecuencia que afecta el trazo del ECG, tal como se observaen la figura 8.9.

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Esto puede ser debido a un diseño defectuoso, al envejecimientode las partes electrónicas; como los condensadores, o areparaciones donde se han reemplazado componentes por otrosno apropiados o de calidad inferior. La figura 8.9a muestra unelectrocardiograma realizado con un instrumento que tiene unancho de banda normal.

La gráfica 8.9b es efectuada con un equipo que tiene reducidala respuesta a las altas frecuencias. Se observa el redondeado delos ángulos puntiagudos y la disminución de la amplitud del complejoQRS.

La gráfica 8.9c fue realizada con un instrumento que tiene pocarespuesta a las bajas frecuencias. En este caso, se observadistorsión de la línea base (después del complejo QRS se produceun pico negativo que no debería estar allí) y las ondas monofásicasaparecen como bifásicas. Este efecto se conoce como distorsiónpor bajas frecuencias.

Figura 8.9. Efectos de la distorsión por frecuencia

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Otra alteración de la señal electrocardiográfica es la distorsiónpor corte o saturación. Se produce cuando la plumilla no recorretodo el trayecto que debiera recorrer. Esto sucede cuando la líneabase se coloca muy cerca de los bordes del papel. En este caso,la excursión se ve limitada por los topes mecánicos del movimientode la plumilla y la gráfica aparece recortada ya sea en la partesuperior o inferior. Esta falla se soluciona al colocar la línea baseen el centro del papel, utilizando para ello el control de posiciónde la plumilla.

Cuando los circuitos electrónicos son defectuosos, la gananciadel amplificador es inadecuada o el amplificador satura, también seproduce esta distorsión, lo cual modifica significativamente laapariencia del ECG.

Figura 8.10. Efectos de la distorsión por saturación o corte

La figura 8.10a muestra un ECG normal. La figura 8.10b el mismoelectro distorsionado por saturación. Allí se evidencia la pérdidade la parte superior del complejo QRS. Esta falla, es muy probableque se genere por la saturación en alguna etapa de amplificación,debida a la inadecuada polarización de algún elemento activo.

En la figura 8.10c se observa un electro que ha sufrido la misma

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distorsión en su parte inferior, la cual puede ser generada por lasmismas causas.

En la figura 8.11a, la línea base aparece sin señal; falla que puedeser debida a una de las fuentes de alimentación, el selector dederivaciones no está en la posición correcta o la ganancia delamplificador es muy baja.

La línea base inestable de la figura 8.11b se debe a que el pacientese mueve excesivamente. En ocasiones se nota que la línea baseoscila en sincronismo con su respiración. En ambos casos, la causaprobable es que los electrodos no están bien ajustados o el gelestá seco.

Figura 8.11. Fuentes de interferencia en el trazo ECG

La figura 8.11c es originada por la interferencia de la línea dealimentación de 60 Hz, la ganancia excesiva de los amplificadores olos electrodos secos. En este caso, debe reducirse la gananciaa su valor normal, revisar los contacto de los electrodos yseparar los cables de los electrodos lo más posible del cuerpodel paciente.

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En la figura 8.11d se observa una señal intermitente debido aque el circuito de los electrodos se "abre". Cuando esto sucede, elterminal del amplificador queda en circuito abierto, y sobre él seinduce una tensión relativamente alta que provoca su saturación.Tal situación lo evidencia el trazo horizontal de la figura.

Debido a la ganancia insuficiente del amplificador, la señalelectrocardiográfica de la figura 8.11e es de muy baja amplitud, locual puede corregirse ajustando la ganancia.

Los artefactos de gran magnitud, mostrados en la figura 8.11f,provienen de transientes de alto voltaje ocasionados por ladesfibrilación, cuando se mueven los electrodos o cuando elpaciente está en contacto con cargas estáticas. Las cargas estáticasse transmiten al paciente cuando alguien lo toca sin tomar leprecaución de "descargarse" primero.

Los transientes saturan el amplificador y los capacitores quedancargados por varios segundos. Durante ese periodo, llamadotiempo muerto, no se produce trazo electrocardiográfico. En losequipos provistos del sistema de protección se reduceconsiderablemente este lapso.

Si el electrocardiógrafo no funciona adecuadamente y no sufreninguna de las fallas descritas, se debe comprobar elfuncionamiento de las fuentes de alimentación, verificar losvoltajes y el "ruido", que debe estar dentro de las especificacionessuministradas por el fabricante. Si las fuentes funcionansatisfactoriamente, hay que verificar las señales con la ayuda deun osciloscopio. La señal debe seguir el camino indicado en eldiagrama en bloques del aparato.

Si en algunas derivaciones no se registra la señal apropiada, esprobable un daño está en el selector de derivaciones,probablemente en la posición que se encontraba cuando se aplicópor última vez el desfibrilador.

Si la interferencia de 60Hz está presente en una derivación, esprobable que el cable correspondiente a ese canal está abierto, haperdido el blindaje o el contacto con el paciente es defectuoso.

INTERFERENCIA DE LA LINEAINTERFERENCIA DE LA LINEAINTERFERENCIA DE LA LINEAINTERFERENCIA DE LA LINEAINTERFERENCIA DE LA LINEAPor ser el electrocardiógrafo un instrumento muy sensible, de

alta impedancia de entrada, con los conductores de los electrodosbastante largos y normalmente instalado en ambientes de alta

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contaminación electromagnética, es muy probable que esté sujetoa interferencias. La interferencia más común es la generada por laslíneas de alimentación, cuyos conductores recorren paredes, pisosy techos. Todos ellos contribuyen a generar un campo eléctrico,que induce en el electrocardiógrafo una señal de interferencia, quese reconoce por tener la frecuencia de 60 Hz.

Los principales aparatos productores de interferencia son lostransformadores, motores, equipos de diatermia, relés, equipos derayos X, interruptores y lámparas fluorescentes o de descarga gaseosa.

Los campos generados producen corrientes inducidas en elpaciente, en los cables de los electrodos y en los circuitos delelectrocardiógrafo.

Figura 8.12. Acoplamiento de interferencia con la red

Los condensadores C1, C2 y C3 de la figura 8.12, representanel acoplamiento entre la línea de 60Hz y el sistemaelectrocardiográfico.

Si al efectuar un electro hay exceso de interferencia, esta puedeser debida a alguna discontinuidad o mal contacto en el circuito delos electrodos.Su inspección generalmente conduce a sudisminución.

Sin embargo, si en el ambiente existe una excesivacontaminación electromagnética, las medidas anteriores no son

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suficientes. Hay que proceder a "entorchar" los cables de loselectrodos o a blindarlos y conectar el blindaje a tierra.

En casos extremos se emplea el blindaje electrostáticomostrado en la figura 8.13. El blindaje electrostático consiste encolocar el electrocardiógrafo en una habitación cuyas paredes pisoy techo se ha colocado una malla metálica conectada a tierra. Lamalla debe estar hecha con un buen conductor eléctrico y magnéticode alta permeabilidad, como por ejemplo el acero. Es indispensableque la conexión a tierra sean de excelente calidad, en caso contrarioes inútil tomar la precaucion antes citada.

Figura 8.13. Blindaje del sistema electrocardiográfico

RUIDO GENERADO POR LAZOS DE TIERRARUIDO GENERADO POR LAZOS DE TIERRARUIDO GENERADO POR LAZOS DE TIERRARUIDO GENERADO POR LAZOS DE TIERRARUIDO GENERADO POR LAZOS DE TIERRAEn la práctica hospitalaria, es frecuente que un paciente está

"conectad" simultaneamente al ECG y a otros aparatos eléctricos.El electrocardigrafo y los otros aparatos se conectan a tierra a

través de su cordón de alimentación, pero seguramente van a estarconectados a tomas diferentes dentro de la habitación.

Cuando esto sucede, se establece un lazo de tierra como elmostrado en la figura 8.14a. Por el lazo circula la corriente «i» que

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multiplicada por la resistencia ohmica de los conductores ycontactos involucrados en el circuito, produce una tensión queaparece como ruido de 60Hz.

Figura 8.14. Eliminación del lazo de tierra

Esta situación es particularmente peligrosa para los pacientesen quirófano, que por estar conectados a “dos tierras”, seestablecen dos voltajes Va y Vb ligeramente diferentes. Estadiferencia provoca la circulación de corriente por su cuerpo, queaparte de representar un grave riesgo, produce interferencia enmodo común.

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Para evitar el lazo, se utiliza una sola tierra como se muestra enla figura 8.14b, de forma que todos los aparatos estén conectadosa ella y no exista la posibilidad de que se establezcan lazosadicionales.

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UltrasonografíaUltrasonografíaUltrasonografíaUltrasonografíaUltrasonografía

CAPÍTULO 9

LOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLOS ULTRASONIDOSLLLLLas vibraciones mecánicas con frecuencia superior a los 20KHz,

que se transmiten al medio circundante en forma de ondas sonoras,son llamadas ultrasonidos, debido a que exceden los límites audiblesdel oído humano.

Las ondas ultrasonoras no son de uso exclusivo de los sereshumanos, ciertos animales como los murciélagos, los delfines yalgunas aves, se valen de su eco para orientarse, evadir obstáculosy cazar.

En 1793, el biólogo italiano Lazzaro Spellanzani observó quelos murciélagos pueden “ver con los oídos”. En efecto, al chillaremiten ultrasonidos de unos 130.000 Hz, cuyas ondas reflejadasson oídas por el mismo animal. La dirección del reflejo, el tiempoque transcurre entre la emisión del chillido y el eco y su intensidad,le permiten localizar los objetos que ha de evitar en su vuelo,orientarse, o identificar los insectos que ha de cazar. Losmurciélagos, aun siendo ciegos, pueden volar perfectamente. Sinembargo, si privados del sentido del oído no podrían hacerlo.Recientemente, en el 2005, se descubrió en China un sapo queemite ultrasonidos en el mismo rango de frecuencia, lo que le permitecomunicarse sin ser detectado por lo predadores.

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Instrumentación Biomédica / Ultrasonografía

Las marsopas, cetáceo parecido al delfín, al igual que losguácharos, aves que viven en cuevas en Venezuela, utilizan tambiénel eco para localizar los objetos y sus presas. Estos animales, porconsumir presas de mayor tamaño, utilizan sonidos de mayorlongitud de onda, en la región audible. Según el biólogo americanoJohn C. Lilly, los complejos sonidos que emiten los animales decerebro mayor, como las marsopas y los delfines, pueden inclusoutilizarlos con otros fines; para localizarse, aparearse, comunicarseo simplemente para “charlar”.

REVISIÓN HISTÓRICAREVISIÓN HISTÓRICAREVISIÓN HISTÓRICAREVISIÓN HISTÓRICAREVISIÓN HISTÓRICAAntes de utilizar las propiedades de las ondas ultrasónicas, el

hombre tuvo que aprender a producirlas. El primer intento fuequizás el silbato de Francis Galton, con frecuencia de 23KHZ,construido hacia 1883 y usado para controlar perros por mediodel sonido inaudible a los humanos.

Otro intento fue realizado por los hermanos Pierre y Paul-JacquesCurie en 1880. Ellos descubrieron que se producían potencialeseléctricos entre las caras opuestas de un fragmento de cuarzocuando era sometido a presión o esfuerzo mecánico que lodeformaba. De ahí surgió el nombre de piezoelectricidad, palabraderivada del griego piezein, equivalente a presionar. Observarontambién que el valor de dichos potenciales era proporcional a ladeformación mecánica que los producía.

Los mismos investigadores hallaron que al aplicar un potencialeléctrico a un cristal de este tipo se producía una ligera deformación,similar a cuando se le aplicaba presión. Observaron además que ladeformación era directamente proporcional al voltaje aplicado. Aeste fenómeno, o efecto piezoeléctrico inverso, se le llamóelectrostricción. Así, un cristal puede actuar como generador yreceptor de este tipo de ondas.

Después del descubrimiento de estas propiedades de loscristales de cuarzo, los investigadores se dedicaron a la búsquedaotros materiales que tuvieran las mismas propiedadespiezoeléctricas, y descubrieron que la sal de Rochela y el titanatode bario las tenían.

El descubrimiento de la piezoelectricidad permitió la generaciónde potenciales que fluctúan rápidamente, aunado al desarrollo delas válvulas termoiónicas, que permitía amplificarlos, suministraron

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los medios necesarios para la producción y recepción deultrasonidos de mediana y alta potencia.

Quizás la primera mención corroborada de la aplicación deultrasonidos se deba a Gordon, quien en 1883 describió undispositivo que podría considerarse precursor de los generadoresde chorro utilizados en la industria. Es de interés histórico notarque los rayos X tuvieron aplicación inmediata mientras que losultrasonidos lo hicieron 50 años más tarde.

La utilización de las ondas ultrasonoras comenzó en 1917 conlos experimentos del físico francés Paul Langevin, quien descubriósus excelentes características de reflexión y comprendió quepodrían tener aplicaciones interesantes.

Ese mismo año, sus investigaciones lo condujeron a la aplicaciónexitosa de la comunicación subacuática por vibraciones acústicasde alta frecuencia. Por tal motivo, durante la Primera Guerra Mundial,fue comisionado por el gobierno francés para desarrollar alguna formade localización de submarinos enemigos que producían estragos ala flota francesa.

En su patente, describe la generación y recepción de ondasultrasonoras, que se efectuaba por medio de un arreglo de cristalesde cuarzo en mosaico, cementados entre láminas de acero. Elaparato nunca llegó a utilizarse, pero fue el precursor de dispositivosmás elaborados que se desarrollaron posteriormente.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el método de Langevinperfeccionado se transformó en el “sonar”, equipo ideado para elmismo fin. La palabra “sonar” deriva de las primeras letras de laexpresión inglesa Sound Navigation and Ranging, o sea, navegación ylocalización por medio del sonido. "Ranging" tiene implicito elconcepto de distancia.

Una de las primeras aplicaciones de los equipos de ultrasonidofue la medición de la profundidad del fondo marino. El método dereflexión de las ondas ultrasónicas remplazó la sondaleza. La medicióndel intervalo entre el envío de un impulso sonoro y el retorno de sueco se utilizó y se sigue utilizando para medir la profundidad.

Con este método, fue posible trazar el perfil del fondo marinosobre el que se movía un barco. De esta manera se descubrieronmesetas del tamaño de un continente, cadenas montañosas máslargas y elevadas que las de la tierra emergida, o profundosabismos, donde el Gran Cañón sería un simple barranco.

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A partir de 1920, el método ultrasónico se empleó para localizarbancos de peces y algas, con la consiguiente aplicación en las flotaspesqueras.

Se le atribuye al científico soviético Leningrado Sergei Sokolovel desarrollo del ultrasonido. En 1937, trabajó intensamente en estecampo y estudió la propagación de las ondas ultrasonoras ensólidos y líquidos. Creó la técnica para la detección de grietas enmetales, método que permitió “visualizar” el interior de ciertasestructuras.

Del estudio de los ultrasonidos, Sokolov se percató que cuandola energía ultrasonora que se propaga por la materia y alcanza unadiscontinuidad, o los límites entre dos estructuras de densidadesdiferentes, parte de la energía atraviesa la discontinuidad y parte serefleja en forma de eco. Los ecos pueden ser captados, amplificadosy presentados gráficamente en una pantalla para ser interpretados.De esta forma es posible conocer la profundidad y características dela discontinuidad o interface reflejante.

La primera aplicación en medicina se atribuye al austríaco KarlDussik, quien en 1937 utilizó la transmisión de Sokolov paraintentar demostrar la presencia tumores intracraneales.

Dussik, llamó a su método hiperfonografía, que consiste encolocar el transmisor en un lado del cráneo y el receptor en ellado opuesto. El receptor recibe las señales después que atraviesanlas estructuras craneales. Dussik, supuso que la atenuación deltejido tumoral era diferente, y podía ser detectada por el receptor.El sistema resultó poco útil debido a que la diferencia deatenuación entre los tejidos sanos y tumorales es imperceptible.

Durante la Segunda Guerra Mundial, al estudiar los ecos quegeneraba la energía ultrasonora, Floyd Firestone creó un métodopreciso para detectar las grietas internas de estructuras sólidas. Ensu instrumento, llamado reflectoscopio, utilizaba el eco producidopor las interfaces en lugar de la detección directa empleada porSokolov. El emisor, formados por cristales de cuarzo, y el receptor,por sal de Rochele, se colocan del mismo lado del objeto en estudio.

El método ideado por Firestone consistía en la emisión deondas ultrasonoras, moduladas en "trenes" de impulsos cortos,emitidos a intervalos relativamente largos. Los trenes de ondaseran reflejados por las interfaces, captados por el cristal receptor,y visualizados en la pantalla de un osciloscopio.

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A partir de 1945, los ecos ultrasonoros generados por elmétodo de Firestone y su expresión gráfica se utilizaron enmetalurgia. Fueron empleados para el estudios no destructivode materiales y en pruebas de homogeneidad en metales yaleaciones metálicas, e incursionaron, con cierto éxito, en elcampo de la medicina.

La ultrasonografía aplicada a la medicina permite la observación,en forma no invasiva, de estructuras y formas anatómicas dediferentes órganos. Su funcionamiento se basa en el análisis delos ecos producidos por esas estructuras, que analizados porsistemas de adquisición y tratamiento de datos, son capaces degenerar imágenes comprensibles y útiles para el diagnóstico.

Hasta 1952, el empleo del ultrasonido en el diagnóstico clínicose había limitado a la ecografía unidimensional. Ese mismo año, Wildy Reid, realizaron un experimento empleando un cristal de 15 MHzmontado sobre un pivote que le permitía cierto grado de oscilación.Para poder colocar el cristal y el sistema de pivote debajo del agua,estos científicos lo envolvieron en una membrana de caucho. Unavez colocado en el agua, hacían que el cristal oscilara y asíprodujeron el primer ecograma bidimensional, lo cual les permitiódetectar y estudiar muchos tumores palpables de los senos.

Joyner Wild y John Reid realizaron la hazaña de diagnosticar enel pre operatorio 26 de 27 casos de cáncer y 43 de 50 casos detumores benignos, que fueron luego confirmados por diagnósticohistopatológico.

Otro método de diagnóstico por ultrasonidos fue culminadopor Douglas Howry y sus colaboradores en 1952. Ellos,desarrollaron un tomógrafo basado en lo que se llama rastreadorcompuesto. Con su instrumento original, y un procedimiento deexploración por barrido con impulsos ultrasonoros de pocapotencia y de menor frecuencia, produjeron ecogramas de elevadacalidad técnica.

Para facilitar la propagación del sonido, Howry hacíaexploraciones de 360° en áreas sumergidas, con la que producíaimágenes de un corte transversal de definición excelente. Lasimágenes de neoplasias en el seno y algunos cortes transversalesdel antebrazo de uno de los investigadores que trabajaban con él,fueron las primeras producidas por este método.

Otra técnica, creada para el estudio de órganos en movimiento

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relativamente rápido se basa en el efecto Doppler. El instrumentotransmite y recibe ecos provenientes del flujo sanguíneo y deórganos tales como el corazón y sus válvulas.

El transductor para la detección Doppler contiene un cristaltransmisor y otro receptor. El transmisor emite un haz continuo deultrasonidos de baja intensidad, parte del cual es reflejado por lasestructuras en movimiento y detectado por el cristal receptor. Ladiferencia en frecuencia indica la velocidad del móvil.

Mediante la aplicación de los descubrimientos y desarrollostecnológicos que comenzaron con los hermanos Curie, el efectopiezoeléctrico, el método de transmisión de Sokolov, la emisiónde "trenes" de impulsos cortos ideado por Firestone, la técnicas deexploración por barrido y el efecto Doppler, hicieron posible eldesarrollo de una gran variedad de equipos aplicados a la medicinay a otras disciplinas.

El diagnóstico con ultrasonido es cómodo, inocuo, seguro ysin riesgos para el paciente. Los niveles de potencia utilizados sonmuy bajos; del orden de 0,01 a 0,04 W/cm

2. Los exámenes con

ultrasonido son de uso externo o poco invasivos, permiten lavisualización de órganos blandos, pueden repetirse cuantas vecesse requiera y no exponen al paciente a radiaciones ionizantes.

PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORASPROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORASPROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORASPROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORASPROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORASLas ondas sonoras se propagan en medios elásticos, es decir,

en materiales donde las partículas que lo forman están vinculadascon sus vecinas por medio de una especie de banda elástica. Enreposo las partículas están distribuidas en forma regular y el espacioentre una y otra es constante.

Si en la superficie de este medio se presenta una perturbaciónacústica se propaga por su interior. La perturbación hace que laspartículas superficiales oscilen respecto a su posición de reposo ytransmiten el movimiento a sus vecinas. Las vecinas también entranen oscilación y transmitirán el movimiento, y así sucesivamente.Aunque la perturbación se propaga a lo largo del material, cadapartícula oscila únicamente respecto a su posición inicial de reposo.

El roce intermolecular hace que las partículas, en lugar de oscilaren forma indefinida, lo hagan progresivamente con menor amplitud,hasta detenerse en la posición inicial de equilibrio.

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La perturbación ocasiona la propagación de la energía en elsentido del impulso original, pero también afecta en menor gradolas partículas vecinas. A pesar de este efecto lateral, se puede afirmarque las partículas vibran, y predominantemente transmiten energíacinética en un sentido dominante, a una velocidad determinada.

Contrariamente a lo que sucede con la transmisión del calor,donde las partículas vibran en forma aleatoria, las ondas sonorasse propagan por los medios elásticos en forma "ordenada". Laamplitud de su movimiento depende de la magnitud del impulsoinicial, el tipo de banda elástica del medio donde se propagan y dela distancia de la partícula respecto al lugar donde se genera laperturbación.

De acuerdo a la forma de propagación, las ondas sonoras seclasifican en longitudinales y transversales.

ONDAS LONGITUDINALESONDAS LONGITUDINALESONDAS LONGITUDINALESONDAS LONGITUDINALESONDAS LONGITUDINALESSi en un medio elástico la perturbación inicial impulsa las

partículas hacia la derecha, éstas chocarán con sus vecinas de laderecha y les transmitirán su movimiento; éstas lo transmiten a suvez a la derecha, y así sucesivamente. Por tal motivo, la perturbaciónse propaga preferentemente de izquierda a derecha.

El movimiento oscilatorio de cada partícula es paralelo a ladirección en que se propaga la perturbación. A lo largo de su caminosurgen compresiones y rarificaciones alternadas, donde las partículasse distribuyen en forma sinusoidal, como se muestra en la figura.9.1. En este caso, como las oscilaciones tienen la misma direccióndel movimiento de las ondas sonoras, se les llama longitudinales ocompresivas. Las ondas longitudinales se propagan en mediossólidos, líquidos y gaseosos.

En las regiones de compresión, donde hay aglomeración departículas, la presión local es mayor que regiones de rarificación. Poreso, a lo largo de la vía de propagación se generan presiones quevarían en forma sinusoidal.

La distancia entre compresiones sucesivas se mantieneconstante a lo largo de la trayectoria de la perturbación y se llamalongitud de onda.

La ubicación de las concentraciones y rarificaciones departículas no se mantienen en un solo lugar respecto del medio,sino que se desplazan. La velocidad de desplazamiento es lavelocidad de propagación del sonido en ese medio. Se concluye

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entónces, que las vibraciones sonoras son ondas de presióndistribuidas en forma sinusoidal, que viajan por un medio a unavelocidad finita. El oído es sensible a estas variaciones si el rangode frecuencia está dentro de los límites audibles.

Figura 9.1. Onda acústica sinusoidal longitudinal

ONDAS TRANSVERSALESONDAS TRANSVERSALESONDAS TRANSVERSALESONDAS TRANSVERSALESONDAS TRANSVERSALESLas ondas transversales son aquellas donde el movimiento de

las partículas es perpendicular a la dirección de propagación. Paravisualizar el fenómeno se puede recurrir a la siguiente analogía:Cuando se agita una cuerda por un extremo las ondas se propagana lo largo de la cuerda, pero las partículas que la forman siguen unmovimiento perpendicular a la propagación.

Aunque todos los materiales pueden ser medios de propagaciónpara las ondas longitudinales, las ondas transversales se propaganúnicamente en los sólidos. Para un mismo sólido, la velocidad depropagación de las ondas transversales es muy inferior a la velocidadde las ondas longitudinales. Esta característica se aprovecha, porejemplo, para medir la distancia del epicentro de un temblor detierra. Dicha distancia es proporcional al intervalo entre la "llegada"de las ondas longitudinales y transversales registradas por elsismógrafo.

En relación con la propagación de las ondas sonoras, los tejidosde los mamíferos pueden considerarse como líquidos. En ellos, lacomponente transversal es insignificante respecto a lalongitudinal. Por lo tanto, en el estudios de los tejidos biológicos

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por medio de ultrasonidos, se consideran únicamente las ondaslongitudinales.

CARACTERÍSTICAS FÍSICASCARACTERÍSTICAS FÍSICASCARACTERÍSTICAS FÍSICASCARACTERÍSTICAS FÍSICASCARACTERÍSTICAS FÍSICASAunque el sonido se defina como una sensación audible, para

los físicos consta de vibraciones mecánicas que generan variacionesde presión dentro de la frecuencia audibles o no. Las ondas sonoras,lo mismo que las de radio, las calóricas, la luz y los rayos X sonoscilaciones sinusoidales. Las ondas sinusoidales se caracterizanpor su frecuencia, amplitud, periodo, fase, intensidad y potencia.Frecuencia (f). Frecuencia (f). Frecuencia (f). Frecuencia (f). Frecuencia (f). Si una perturbación sonora se propaga en unmedio, y un observador estático cuenta el número de oscilacionespor segundo que “pasan” frente a él; ese número es la frecuencia,y se expresa en Hertz (Hz).En términos de frecuencia, las ondassonoras se clasifican en: Subsónicas o infrasonoras, 0 a 20 Hz. Audibles, 20 a 20.000 Hz. Ultrasonoras, las que exceden los 20.000 Hz.

Las ultrasonoras para aplicaciones médicas están comprendidasentre 1MHz a 15 MHzLa frecuencia empleada en el diagnóstico médico depende de laresolución requerida para un estudio determinado. Para la detecciónde estructuras anatómicas pequeñas se requieren frecuencias altas.La frecuencia determina la nitidez de las imagen y la calidad de losdetalles que la componen, sin embargo, el poder de penetración delas frecuencias altas es menor.Período (T):Período (T):Período (T):Período (T):Período (T): Es el intervalo en el cual dos ondas consecutivas serepiten. Se expresa en segundos. El periodo es el valor recíprocode la frecuencia, así:

f = 1/T

Longitud de onda Longitud de onda Longitud de onda Longitud de onda Longitud de onda (λ): : : : : Es la distancia en la cual dos ondasconsecutivas se repiten, como por ejemplo entre una cresta y otra.Se expresa en unidades de longitud.Velocidad (c):Velocidad (c):Velocidad (c):Velocidad (c):Velocidad (c): Es la rapidez con que se desplaza una perturbaciónsonora en un medio. Es equivalente al número de oscilacionespor segundo multiplicado por la longitud de onda de cadaoscilación, así:

c = f . λ

238


Como la velocidad promedio en los tejidos de 1540 m/s, la longitudde onda y su frecuencia equivalente se muestran en la tabla 9.1.Nótese, que a mayor frecuencia menor longitud de onda.

Frecuencia (MHz) Longitud de onda (mm)Frecuencia (MHz) Longitud de onda (mm)Frecuencia (MHz) Longitud de onda (mm)Frecuencia (MHz) Longitud de onda (mm)Frecuencia (MHz) Longitud de onda (mm)

1 1,54 2 0,77 3,5 0,44 5 0,31 10 0,15 15 0,10 20 0,08

La velocidad de propagación de las ondas longitudinalesdepende de la densidad y del contenido elástico del medio enque se propagan. La velocidad es dada por la siguiente ecuación:

donde r es la densidad del medio y B es su compresividad.

En este momento, hay que notar la diferencia entre elmovimiento de las partículas y la velocidad de propagación delsonido. Las partículas oscilan respecto a un punto de reposo. Sudesplazamiento neto es nulo. En promedio permanecen en el mismositio. Mientras que la onda sonora se propaga en el medio a unavelocidad finita. La máxima distancia que se mueven las partículas respecto asu posición de reposo es del orden de 10

–8 cm, el diámetro de un

átomo, y su velocidad es del orden de algunos centímetros porsegundo. Sin embargo, la presión que ejercen los agrupamientos yrarificaciones es grande, especialmente muy cerca del origen de laperturbación. En la tabla 9.2 se indica la velocidad con que se propaga elsonido en algunos materiales orgánicos e inorgánicos.

Tabla 9.1.Tabla 9.1.Tabla 9.1.Tabla 9.1.Tabla 9.1.

c =1

r x B

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Material inorgánico Velocidad(m/s) Material inorgánico Velocidad(m/s) Material inorgánico Velocidad(m/s) Material inorgánico Velocidad(m/s) Material inorgánico Velocidad(m/s) Material orgánico Material orgánico Material orgánico Material orgánico Material orgánico Velocidad(m/s) Velocidad(m/s) Velocidad(m/s) Velocidad(m/s) Velocidad(m/s)

Aluminio 6400 Grasa 1540Cobre 4700 Cerebro 1540Níquel 5600 Sangre 1570Acero 6000 Músculos 1580Nylon 1850 Higado 1585Aceite 1400 Riñones 1560Agua 1400 Tejido óseo 4080Goma 1600Aire 330Oxígeno 320

InInInInIntententententensidad. sidad. sidad. sidad. sidad. La intensidad de una onda sonora se define como lacantidad de energía que “pasa” cada segundo por cm

2 de área

perpendicular a la dirección de la propagación. Se expresa enw/cm

2, mw/cm

2, w/m

2 o unidades similares. Para el diagnóstico

ecosonográficos, se emplean valores comprendidos entre 1 y100 mw/cm

2. Para la fisioterapia, que basa su acción en el calor

generado en los tejidos por los ultrasonidos, se utilizan intensidadesde hasta 10w/cm

2. En aplicaciones quirúrgicas, donde se requiere la

evaporación de los tejidos, o para la soldadura de la retinadesprendida, se emplean intensidades de hasta 1500 w/cm

2 por

pequeñas fracciones de segundo.Amplitud.Amplitud.Amplitud.Amplitud.Amplitud. La amplitud de una onda se define como el máximocambio de presión generado por la onda misma. Cuando se generauna onda ultrasonora la energía pasa de la fuente al medio. Si laenergía es alta, se produce una mayor presión, que se traduce enmayor velocidad de desplazamiento de las partículas, es decir, mayorenergía cinética. A medida que la intensidad aumenta la amplitudtambién aumenta.El término es empleado también para describir la magnitud del eco.No es posible dejar este tema sin referirse al notablecomportamiento del oído humano, capaz de detectar ondas sonorasde tan baja intensidad como 10

-16 w/cm

2 hasta ondas 10

14 veces

más intensas.Potencia.Potencia.Potencia.Potencia.Potencia. Aunque a veces se confunden la intensidad y la potenciade un haz ultrasonoro, no son cantidades idénticas. La intensidades la cantidad de flujo sonoro por unidad de área. La potencia es laenergía total del haz expresada en vatios.

240


Potencia(w) = Intensidad(w/cm2) . . . . . Area del haz(cm

2)

La potencia de salida de los instrumentos para el diagnósticomédico normalmente es especificada por el fabricante. En losinstrumentos Doppler, que generan un haz continuo, la potenciaestá comprendida entre los 5 y 50 mw. En los que producenimpulsos ultrasonoros, es importante conocer la potencia promedioy la instantánea. La primera es de algunos milivatios, mientras que lasegunda es de decenas de vatios.Reflexión, refracción y difracción. Reflexión, refracción y difracción. Reflexión, refracción y difracción. Reflexión, refracción y difracción. Reflexión, refracción y difracción. La refracción se refiere alcambio de dirección que experimenta una onda sonora al pasar deun medio a otro. Cuando encuentra una discontinuidad o interface,parte de la onda se refleja y parte se transmite con direccióndiferente. Tal situación se muestra en la figura 9.2, donde se apreciala onda transmitida y la onda reflejada o eco.

Figura 9.2. Reflexión y refracción de una onda

En la figura se observa cómo las ondas sonoras son reflejadasy refractadas al ser interceptadas por una interface plana. El ángulode incidencia θi es igual al ángulo de reflexión θo mientras que elángulo de la onda transmitida qt respecto a la incidente estárelacionado por:

Vi sen θtVt sen θi

241

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donde Vi y Vt representan la velocidad del sonido en el mediorespectivo.

Cuanto mayor es la diferencia de la impedancia acústica entrelos dos medios mayor es el coeficiente de reflexión y la amplituddel eco. Este concepto es importante puesto que los equipos deultrasonidos dedicados a la producción de imágenes se valen deleco para formarla.

El físico francés Agustín Fresnel, demostró que existe laposibilidad de que una onda sonora que llega a una interface no serefleje en absoluto. Que lo haga, depende del tamaño comparativode su longitud de onda en relación con el tamaño del obstáculo.

Cuando el tamaño del obstáculo es igual o menor que lalongitud de onda no hay reflexión, puesto que el haz sonoro se"desvía y lo rodea". A este fenómeno físico se le llama difracción.

Por el contrario, si el obstáculo es considerablemente mayorque la longitud de onda, ésta se refleja. Un haz ultrasonoro conlongitud de onda de 0,5 mm, que incide sobre cualquier obstáculomayor de unos 2 mm, generará ecos detectables. Si el obstáculoes de 0,5 mm, la generación de ecos detectables es incierta.

Si la superficie donde incide la onda no es plana, se produceuna reflexión difusa, tal como se muestra en la figura 9.3.

Figura 9.3. Reflexión en una superficie rugosa

Frente de onda.Frente de onda.Frente de onda.Frente de onda.Frente de onda. Una perturbación sonora que se propaga porun medio tridimencional, crea superficies o frentes de onda depresión con altas y bajas concentraciones de partículas, que sealejan del punto inicial de la perturbación a la velocidad del sonido.

242


Si se generan ondas pulsantes de tres o cuatro ciclos, seproducen sólo tres o cuatro planos de altas y bajas presiones, quese alejan de la fuente que las produjo.

Fase. Fase. Fase. Fase. Fase. En la figura 9.4., tómese P como un punto de referenciaestático, situado en un medio donde se está propagando el sonido.La fase de la onda en cualquier instante, se expresa como un ánguloen grados o radianes respecto al punto P.

Una onda completa tiene 360°, por lo tanto el punto A estáatrasado media onda o 180° respecto a P. El punto B lo está uncuarto de onda, o sea 90°. En cambio el punto D está adelantado30° respecto a P, y F lo está 180°.

Figura 9.4. Fase de una onda

Diferencia de faseDiferencia de faseDiferencia de faseDiferencia de faseDiferencia de fase. Se dice que dos ondas de la misma frecuenciaestán en fase si ambas alcanzan su valor máximo positivo o negativoal mismo tiempo. Tal situación se muestra en la figura 9.5a.

Dos ondas de la misma frecuencia están desfasadas 180º o encontrafase, cuando en el mismo instante una de ellas se encuentraen su valor máximo positivo y la otra en su máximo negativo, talcomo se muestra en la figura 9.5b. La figura 9.6c muestra dosondas desafiadas 90º. Evidentemente, el defasaje entre dos ondaspuede ser de cualquier valor comprendido entre –180 o y +180º.

Si dos o más ondas son transmitidas en un mismo medio, lafluctuación resultante de la presión en un punto dado se obtienesumando las presiones aportadas por cada una. A este fenómenose le llama interferencia.

Si dos ondas de la misma frecuencia están en fase, las presionesse suman; si están en contrafase se restan, y hasta se anulan si sonde la misma amplitud y frecuencia.

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Alvaro Tucci R.

En general, cuando se tienen dos o más ondas, desfasadas ono, la onda resultante se obtiene gráficamente sumando punto apunto la amplitud de cada una de ellas. También puede obtenersela resultante mediante métodos matemáticos.

Figura 9.5. Ondas desfasadas

ULTRASONIDOS EN LOS TEJIDOSULTRASONIDOS EN LOS TEJIDOSULTRASONIDOS EN LOS TEJIDOSULTRASONIDOS EN LOS TEJIDOSULTRASONIDOS EN LOS TEJIDOSOtras consideraciones relacionadas con la interacción de las

ondas ultrasonoras con los tejodos son las siguientes.

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓNVELOCIDAD DE PROPAGACIÓNVELOCIDAD DE PROPAGACIÓNVELOCIDAD DE PROPAGACIÓNVELOCIDAD DE PROPAGACIÓN La velocidad con que se propaga una onda ultrasonora en un

medio depende de su densidad y compresibilidad. Mientras más rígidoes el material, mayor es la velocidad de propagación; en los tejidosblandos es casi cinco veces mayor que en el aire, y en los huesos,doce veces.

Para las frecuencias empleadas con fines de diagnósticos, no seobserva variación de la velocidad con la frecuencia. Sin embargo, lavelocidad varía con la temperatura; en el agua un aumento de 5ºCproduce una variación de velocidad del 1%.

En los estudios ultrasonográficos, donde se desea determinarla profundidad de las interfaces, es necesario conocer la velocidaddel sonido. Su velocidad, multiplicada por la mitad del tiempo que

(a) 0ndas en fase

(b) 0ndas defasadas 180 grados

(b) 0ndas defasadas 90 grados

244


demora el eco en regresar al punto de emisión es igual a laprofundidad.

IMPEDANCIA ACÚSTICAIMPEDANCIA ACÚSTICAIMPEDANCIA ACÚSTICAIMPEDANCIA ACÚSTICAIMPEDANCIA ACÚSTICALa impedancia acústica (z), conocida también como impedancia

característica, es la resistencia que ofrece un medio al paso de lasondas sonoras. Depende principalmente de elasticidad, densidad,frecuencia y tipo de onda. Para ondas sinusoidales y para lasfrecuencias empleadas en exploraciones médicas, la impedancia

acústica es dada por:

z = d . v

donde (d) es la densidad del medio, en gr/cm3 y (v) es la velocidad,

en cm/seg.Si dos tejidos tienen impedancias acústicas diferentes, en suinterface se genera un eco de magnitud proporcional a ladiferencia, es decir:

Δz = (d1 . v1) - (d2 . v2 )

Para que una estructura pueda ser detectada debe producir uneco de magnitud apreciable. Una masa de tejido puede serregistrada por medio del ultrasonido, si su impedancia acústicarelativa al medio que la circunda es diferente. Muchas interfaces nose detectan por tener impedancias iguales o muy parecidas. La tabla9.3 indica la impedancia acústica de algunos tejidos.

Los equipos que detectan los ecos deben ser muy sensiblesy selectivos, ya que la diferencia de impedancias entre los tejidosblandos es pequeña, por lo que la magnitud del eco también loes. Sólo se produce reflexión considerable en las interfacescon los huesos.

A partir de los valores de la tabla 9.3 se pueden hacerinteresantes observaciones. Por ejemplo, se nota que ladiferencia de impedancia entre el aire y los tejidos es grande,por lo que es de esperar que un haz incidente en la piel esfuertemente reflejado y la porción que la penetra es muy poca.

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Material Z Material Z Material Z Material Z Material Z (gr/cm2)10 vvvvv (m/s)

Aire 0,0004 330Grasa 1,38 1450Aceite de castor 1,43 1500Agua(20 C) 1,48 1480Humor acuoso 1,50 1500Humor vítreo 1,52 1520Cerebro 1,58 1540Sangre 1,61 1570Riñón 1,62 1560Tejido blando(promedio) 1,63 1540Hígado 1,65 1550Músculo 1,70 1580Polietileno 1,84 2000Lentes del ojo 1,84 1620Hueso 7,80 3500

La tabla 9.4 muestra el porcentaje de reflexión que se da entrediferentes tejidos.

Tabla 9.4Tabla 9.4Tabla 9.4Tabla 9.4Tabla 9.4Agua – Hueso 68 %Agua – Cerebro 3,2 %Cerebro – Hueso 65 %Músculo – Hueso 65 %Sangre – Riñón 0,69 %Sangre – Cerebro 0,3 %

ATENUACIÓNATENUACIÓNATENUACIÓNATENUACIÓNATENUACIÓNCuando el sonido se propaga en un medio, su intensidad decrece

progresivamente. A esta disminución se le llama atenuación. Laatenuación es propiciada por tres fenómenos concurrentes:absorción, divergencia y reflexión.

En aplicaciones con fines de diagnóstico, la absorción es elmecanismo principal de atenuación. La energía es absorbida porlos tejidos, debido al roce molecular generado por las mismasvibraciones sonoras. La energía utilizada para vencer el rocemolecular, es convertida en calor dentro del mismo medio dondese propaga el sonido.

246


El coeficiente de absorción en tejidos blandos es proporcionala la frecuencia. Quizás dependa de la naturaleza compleja de lasproteínas tisulares. Se ha demostrado que el 80% de la absorciónque ocurre en los tejidos se debe a sus proteínas.

La absorción comparativa para algunos tejidos es la siguiente:Tabla 9.5Tabla 9.5Tabla 9.5Tabla 9.5Tabla 9.5

Agua 0,002Sangre 0,2Tejido blando 1,0Hueso 20,0

La divergencia es otro factor que contribuye a la atenuación.Cuando un haz de ultrasonido se propaga tiende a divergir. El áreapor donde se propaga aumenta en la medida que el frente de ondase aleja de la fuente, por lo tanto, la intensidad del sonido por unidadde área disminuye. A medida que la frecuencia aumenta la divergenciadisminuye. Para frecuencia mayores de 1 MHz las ondas sonprácticamente paralelas.

La atenuación por pequeñas reflexiones se produce cuando elhaz ultrasonoro se propaga en medios no perfectamentehomogéneos, como lo son las estructuras tisulares. En ellas, seinterponen muchas pequeñas interfaces donde parte de la energíaes reflejada, lo cual contribuye a atenuar la onda transmitida.

ESPESOR MEDIOESPESOR MEDIOESPESOR MEDIOESPESOR MEDIOESPESOR MEDIOEs aquel espesor de material que al ser atravesado por una onda

sonora reduce su intensidad a la mitad. Depende de la naturalezadel material y de la frecuencia de propagación. La figura 9.6 muestrala forma en que se atenúan las ondas sonoras.

Las ondas mayor frecuencia se absorben más rápidamente. Parala frecuencia f1, la intensidad del haz ultrasonoro se ha reducido ala mitad para un espesor medio d1. Para la frecuencia f2, el espesores menor.

Tómese como ejemplo los tejidos blandos. En ellos, las ondasde 1MHz tienen un espesor medio de unos 5 cm, mientras quepara 3 MHz, se reduce a 1,5 cm.

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Figura 9.6. Atenuación de una onda sonora en función del espesor

EFECTOS DE LOS ULTRASONIDOSEFECTOS DE LOS ULTRASONIDOSEFECTOS DE LOS ULTRASONIDOSEFECTOS DE LOS ULTRASONIDOSEFECTOS DE LOS ULTRASONIDOSCuando los ultrasonidos se propagan en los tejidos, el roce

molecular hace que parte de su energía se transforme en calor.Su absorción, aparte del calentamiento, puede causar cavitacióno efectos bioquímicos.

El efecto más pronunciado es la generación de calor. Si lavelocidad de producción excede la capacidad de disipación, latemperatura aumenta. En ciertas aplicaciones terapéuticas seaprovecha esta propiedad para aplicar calor en forma selectiva. Si laagitación de las partículas es muy grande se pueden producir cambiosestructurales del medio.

La cavitación, se refiere a la producción de burbujas de gas en eltejido sometido a ultrasonidos. Se forman en el transcurso de cadaciclo, en el momento de menor presión acústica. Durante el restodel tiempo, como la presión aumenta, las burbujas colapsan conapreciable liberación de energía.

En la cavitación también puede ocurrir que las burbujas aumentande tamaño y alcanzan dimensiones que les permiten resonar. Suresonancia causa alteraciones violentas de los tejidos circundantes.Este tipo de cavitación, llamada estable, no puede ocurrir en equiposque generan trenes de pulsos.

La cavitación, se produce principalmente para altas intensidades,del orden de los 10 w/cm

2 y frecuencias del orden de los 30 KHz.

En ultrasonografía con fines de diagnóstico, la intensidadutilizada es menor que 100 mw/cm

2. Por lo tanto, la generación de

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calor, los cambios estructurales de los tejidos y la cavitación soninexistentes. Para el nivel de intensidad utilizado para eldiagnóstico, no se han reportado efectos nocivos.

GENERACIÓN DE ULTRASONIDOSGENERACIÓN DE ULTRASONIDOSGENERACIÓN DE ULTRASONIDOSGENERACIÓN DE ULTRASONIDOSGENERACIÓN DE ULTRASONIDOSLa corneta, es el dispositivo común y más conocido que

transforma la energía eléctrica en acústica. Está formada por unimán cilíndrico, alrededor del cual se coloca una bobina móvil,sostenida por el diafragma.

La bobina se alimenta con corriente variable, la cual produceun campo magnético que al reaccionar con el campo del imán eimpulsa el diafragma. El diafragma al moverse altera la condiciónestática del aire que lo circunda, generando presiones y depresionesque son captadas los órganos auditivos.

Sin embargo, las cornetas no pueden vibrar a suficientefrecuencia para producir ultrasonidos. Su respuesta es limitada porla inercia de las masas en movimiento. Con diseños muy especialesse logran frecuencias de algunas decenas de kilociclos. El elementocapaz de convertir la energía eléctrica en sonora y viceversa, afrecuencias ultrasónicas, es el cristal piezoeléctrico.

Los primeros materiales que se emplearon para la generaciónde ultrasonidos fueron el de cuarzo y la sal de Rochelle. Luegofueron reemplazados por cristales sintéticos como los de titanatode bario, sulfato de litio o zinconato y titanato de plomo. Estosúltimos, más estables con las variaciones de temperatura, tienenmayor rendimiento y su costo es menor.

El cristal piezoeléctrico debe estar conectado a dos electrodos,uno en contacto con la superficie de su cara anterior y el otro conla posterior. Estos contactos se obtienen por la deposición de unapelícula metálica evaporada.

Los cristales son montados en cabezales que se comunicancon el resto del equipo por medio de un cable que contiene variosconductores. La forma y dimensiones del cabezal permiten su fácilmanipulación.

Presentan una ventana de plástico que se coloca en contactocon el paciente. De ella emergen y/o se reciben las señales deultrasonido. La lámina de plástico y actúa como protección mecánicadel cristal.

Para máxima transferencia de energía entre el transductor y la

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piel, es necesario un buen acoplamiento de impedancias, lo cual selogra mediante la eliminación de la capa de aire que pudiera existirentre ellos. El aire es una barrera casi infranqueable para losultrasonidos, debido a que se atenúa rápidamente en ese medio.La capa de aire se "desaloja" si se coloca entre ambas superficiesuna estrato de aceite, que actúa como acoplamiento deimpedancias. El acoplamiento puede optimizarse seleccionandola viscosidad del aceite.

Por la experiencia diaria relacionada con el sonido, se sabeque se propaga en todas direcciones y es muy difícil focalizarlo.Afortunadamente, con las altas frecuencias se pueden producirhaces delgados, bien dirigidos y muy poco divergentes.

Si los haces emergentes de un transductor tienen esascaracterísticas, y además se enfocan, pueden producir imágenesde alta resolución. El enfoque se logra mediante el empleo de uncristal cóncavo, que actúa en forma similar a un lente óptico, o porun arreglo de cristales que se excitan en forma secuencial y enfocanel mismo punto.

Cada transductor está construido para operar a la frecuencianatural de oscilación del cristal, que es determinada por susdimensiones físicas. Para aplicaciones médicas, el diámetro de loscristales cilíndricos varía entre los 4 y 25 mm.

La eficiencia de transducción del cristal es máxima si opera aesa frecuencia. Si actúa como transmisor, la conversión de energíaeléctrica en sonora es máxima. Como receptor, la conversión esinversa y entrega máxima energía eléctrica.

En algunos equipos de ultrasonido, la energía se emite en formacontinua, mientras que otros transmiten ondas discontinuas. Enlos equipos que utilizan como principio de funcionamiento el efectoDoppler, el transductor está formado por dos cristales montadosen el mismo cabezal, uno transmite continuamente y el otro, elreceptor, permanece en espera de los ecos.

Los equipos que transmiten en forma discontinua emiten trenesde ondas sinusoidales de muy corta duración a intervalos regulares,llamados pulsos. El envío de un tren de ondas, significa que unaperturbación momentánea de algunos ciclos se propaga en un medioy en cada instante afecta una región limitada. La perturbación, quetiene de 1 a 2 mm de espesor, se aleja de la fuente y se refleja enlas discontinuidades que encuentra en su camino.

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En el intervalo entre pulso y pulso, el transductor permaneceen “silencio”, en espera de las ondas reflejadas. De esta manera, elmismo cristal actúa como transmisor cuando emite y de receptorcuando recibe los ecos. Normalmente, el tiempo de transmisión esúnicamente 1%, el 99% restante se dedica a la recepción.

Si el transductor trabaja en modo pulsado, se coloca en laparte posterior del cristal un material de amortiguación, queevita que siga oscilando aun después de exitarse. Luego deemitir el tren de ondas, el material de amortiguación lo detienerápidamente, para así poder detectar la llegada de los ecos.

Los ecos excitan el cristal y hacen que oscile a su frecuencianatural de oscilación. Por efecto de la electrostricción, se generenpequeños voltajes entre sus caras, que posteriormente sonamplificadas y utilizadas para generar la imagen.

La figura 9.7a muestra un transductor de un solo cristal, en dondeel haz emerge de la parte frontal, mientras que en el montaje de lafigura 9.7b el haz emerge lateralmente.

Figura 9.7. Dos transductores de ultrasonidos que emiten en modo pulsado

CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICASCLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICASCLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICASCLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICASCLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICASDE EXPLORACIÓNDE EXPLORACIÓNDE EXPLORACIÓNDE EXPLORACIÓNDE EXPLORACIÓN

La aplicación de técnicas ultrasonográficas en el campo de lamedicina con fines de diagnóstico se remontan al año 1937. Paraesa época, se empleaban en forma similar a como lo hacen losrayos X. Se transmitían a través del cuerpo y se registraba lamagnitud de la atenuación en diferentes áreas.

Para satisfacer las crecientes necesidades de diagnóstico sedesarrollaron equipos que emplean diferentes técnicas y principios,

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Alvaro Tucci R.

los cuales, de acuerdo a la forma de producir la exploración, seclasifican en: Modo A, Modo B, Tiempo real, Tiempo-movimiento (T-M mode) y efecto Doppler.

La técnica de barrido en Modo A (A scanning) se desarrolló en1945, cuando entraron en el mercado nuevos componenteselectrónicos que permitieron su implementación. El Modo Bapareció a principios de los años 50, seguido por la técnica deexploración tiempo-movimiento. El primer instrumento basado enel efecto Doppler de onda continua lo hizo en 1958, y los de ondapulsátil en 1969. A principio de los años 70 se desarrollo la técnicade escalas de grises y de barrido en tiempo real. Las conversionesanalógico/digitales para almacenamiento y procesamiento deimágenes se emplearon a partir de 1974.

EXPLORACIÓN EN MODO EXPLORACIÓN EN MODO EXPLORACIÓN EN MODO EXPLORACIÓN EN MODO EXPLORACIÓN EN MODO AAAAAEl método más simple y fácil de usar es la exploración en Modo A.

Su nombre implica modulación de amplitud (Amplitud modulation).Se le conoce también como Presentación en modo A o A Scan mode.

Figura. 9.8. Formación de la imagen por medio de ecos con presentación en modo A

Con esta exploración, la imagen resultante suministrainformación referente a la distancia entre la superficie deltransductor y las interfaces de los tejidos. Es empleada para elestudio de estructuras anatómicas simples donde se requierenmedidas de profundidad, como por ejemplo, la determinación de la

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línea media del cerebro o el diámetro del bulbo ocular. A veces susimágenes son utilizadas como complemento de otros estudiosultrasonográficos.

El transductor es de un solo cristal, actúa como transmisor yreceptor. Con el transductor se “apunta” en la dirección de interésy se detectan los ecos producidos por las interfaces.

La figura 9.8 muestra la gráfica de los ecos reflejados por lasinterfaces tisulares.

De las figuras anteriores se concluye que:

Profundidad = Velocidad

Para un tiempo de ida y vuelta de 80μs, la profundidad de la interfacees:

Profundidad = 1540 = 6,2 cm

INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO AINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO AINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO AINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO AINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO AEl instrumento básico que opera en modo A está constituido

por los bloques mostrados en la figura 9.9.

Figura 9.9. Diagrama en bloques de un instrumento que opera en modo A.

El generador de pulsos produce señales de sincronismo quese emplean para disparar simultáneamente el generador de altovoltaje, la unidad TGC (Time-Gain Compensation) y el generador debase de tiempo del CRT (Tubo de Rayos Catódicos). La señal de

Tiempo de ida y vuelta

2

80 x 10-6

2

253

Alvaro Tucci R.

sincronismo, cuya repetición es determinada por el fabricante delequipo, está comprendida entre los 200 y 1500 pulsos por segundo.

Cuando el generador de alto voltaje recibe esta señal, produceun tren de ondas sinusoidales de unos 300 voltios con duración de0,5ms, que induce al cristal de 2MHz a que oscile a su frecuencianatural.

Cada tren de ondas es transformado por el cristal en unincremento súbito de energía ultrasonora, conocido como burst,con duración de algunos microsegundos. Después de transcurridoeste tiempo, el cristal se detiene y queda en “silencio” en esperade los ecos que pudieran regresar.

El impulso de energía ultrasónica dirigido hacia los tejodos,seguramente se encuentra con interfaces de distintas impedanciasacústicas localizadas a diferentes profundidades. Las interfacesgeneraran ecos cuya amplitud es proporcional a la diferencia desus impedancias.

Los ecos son parte de la energía sonora que “rebota” en lasinterfaces y regresan al transductor cuando el cristal está en “silencio”,y como son de la misma frecuencia, lo inducen a que vibre.

Las vibraciones hacen que entre las caras del cristal se generenpequeños voltajes, no mayores de algunos milivoltios. El tiempoque transcurre entre el envío del tren de pulsos y su eco esproporcional a la profundidad de la interface, mientras que laamplitud del voltaje generado por el cristal está relacionado conlas características de la interface que lo produjo.

El voltaje generado por los ecos es de muy pequeña amplitud.El amplificador de R.F.(Se llama amplificador de radio frecuencia,debido a que las señales que debe amplificar están en ese rango)se encarga de incrementar su nivel hasta algunos voltios. Dichovoltaje, después de procesado por el demodulador y el amplificadorde video, es aplicado a las placas de desviación vertical delosciloscopio (CRT) u otro dispositivo de visualización. Enconsecuencia, la magnitud de la desviación vertical es una medidade la intensidad del eco.

Para que el ecosonograma sea inteligible, es necesario que elbarrido horizontal del CRT se inicie en el preciso momento en queel cristal entre en estado de “silencio”, de forma que mientrastranscurre el barrido horizontal se reciben los ecos.

La desviación horizontal es proporcional al tiempo tomado por

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la onda sonora para alcanzar la interface y regresar, por lo tanto,es expresión de la medida de la profundidad a que se encuentra lainterface. Dicha profundidad, puede leerse directamente en la escalacalibrada de la pantalla del dispositivo de visualización.

Entre la emisión de un tren de pulsos y otro, debe transcurrir eltiempo suficiente para permitir que los ecos provenientes de lasinterfaces más lejanas retornen y sean detectados por eltransductor. Sólo entonces se debe emitir el siguiente impulso.Su frecuencia de repetición depende de la profundidad de lasinterfaces más alejadas que se pretendan registrar.

Como la velocidad promedio de los ultrasonidos en los tejidoses de 1540 m/seg y el transductor tiene una profundidad máximade detección de 10 cm, la repetición de los trenes de pulsos nodebe exceder de

1540/0,2 = 7700 pulsos por segundo

La frecuencia de repetición de pulsos en equipos comercialespara diagnóstico varía entre 200 y 1500.

El objetivo del Limitador, mostrado en la figura 9.9, es "acoplar"al Amplificador los pequeños voltajes provenientes del transductory evitar que los impulsos de alto voltaje que alimentan el cristal loalcancen.

La ganancia del amplificador de RF es gobernada por la UnidadTGC o unidad de compensación tiempo-ganancia. Dicha unidad haceque la ganancia varíe con el tiempo; es decir, amplifica más aquellosecos que tardan más en alcanzar el transductor. Su principio defuncionamiento será analizado más adelante en este capítulo.

A fin de obtener una imagen “limpia y nítida", los ecosamplificados son rectificados, filtrados y “alisados” por eldemodulador. En esta etapa, también se elimina el ruido y los ecosde baja amplitud. El tratamiento que reciben se muestra en la figura9.10.

Finalmente, el amplificador de video incrementa la amplitud delos impulsos hasta algunas decenas de voltios, que aplicados aldispositivo de visualización producen la desviación vertical dealgunos centímetros.

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Alvaro Tucci R.

Figura 9.10. Procesamiento de la señal en el demodulador

La imagen de los ecos se muestra en la pantalla a la frecuenciade repetición del generador de impulsos. El tubo de rayos catódicosestá recubierto con fósforo de baja persistencia. Las imagenespueden ser almacenadas en la memoria del sistema y/o impresaspara su futura utilización.

La presentación en Modo A se emplea para la explorar pequeñasáreas, como en el ojo, el corazón y los vasos. Los equipos que loutiliza son de bajo costo y para uso específico.

EXPLORACIÓN EN MODO BEXPLORACIÓN EN MODO BEXPLORACIÓN EN MODO BEXPLORACIÓN EN MODO BEXPLORACIÓN EN MODO BEn la exploración en Modo A, un haz delgado de ultrasonido se

dirige a los tejidos. La magnitud del eco y el tiempo de tránsitoaportan datos suficientes para el estudio de ciertas estructurastisulares simples.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, las estructurasanatómicas son bastante complejas, de manera que suidentificación, localización y forma se obtienen más fácilmente sise emplea la información procedente de muchas líneas de eco,como es el caso de la exploración en Modo B. La letra B provienede la palabra inglesa Brightness, equivalente a brillantez.

La forma de generar información, es "recolectando" datos de

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muchos ecos provenientes de las interfaces para luego construirimágenes bidimensionales. Normalmente se generan unas 500 líneaspor segundo, suficientes para producir resultados de buena calidad.

Los equipos comerciales utilizan dos métodos para crear lasmúltiples líneas de información:

1. Mediante el empleo de un transductor de un solo cristal que oscila respecto a un eje.2. Por medio de un transductor compuesto, formado por múltiples cristales.En el primer caso, la imagen es generada cuando el transductor

oscila continuamente respecto a una posición central, como si fueraun columpio. El arco que recorre es normalmente limitado a 90º,que es su "campo visual". Durante su recorrido, emite trenes deultrasonidos y recibe los ecos de todas las líneas de información,que debidamente procesados dan origen a una imagenbidimensional.

Figura 9.11. Exploración en modo B con transductor oscilante de un solo cristal

En el cabezal, esquematizado en la figura 9.11,se observa elmotor y las levas encargadas de hacer que el cristal oscile conrespecto a un eje. Los trenes de impulsos ultrasonoros se generanen el origen y se propagan en forma de abanico por el órgano deinterés. Durante su propagación, se encuentran condiscontinuidades que los refleja. Los ecos reflejados son

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Alvaro Tucci R.

detectados por el mismo cristal, convertidos en puntos de brillantezvariable y proyectados sobre una pantalla.

Los puntos son de intensidad modulada; su brillantez esproporcional a la magnitud del eco que los produjo. El resultado esuna imagen bidimensional compuesta por puntos con diferenteluminosidades.

Como el cristal emite los ultrasonidos en forma de abanico, laimagen es deformada, aumenta en tamaño a medida que se alejadel transductor.

En el segundo caso, la presentación en modo B es generadacon un transductor compuesto. Consiste en un arreglo de cristalespiezoeléctricos colocados en línea, uno al lado de otro. Loscristales se excitan en forma secuencial, uno a la vez, y uno a lavez irá recibiendo los ecos generados por su mismo haz. Losdatos "recogidos" provienen de líneas de exploración paralelas,por lo tanto no producen deformación de la imagen. El principiode funcionamiento de este sistema es mostrado en la figura 9.12.

Al igual que en el caso anterior, la imagen está formada por puntosluminosos de diferentes intensidades. La posición de cada punto enpantalla está relacionada con la profundidad de la interface, mientrasque su brillo es proporcional a la magnitud del eco que lo produjo.Este sistema de representación se le conoce como registro por escalade grises (Gray Shade Recording), puesto que emplea toda unavariedad de puntos, desde el más brillante hasta el más opaco.

En la imagen que se forma en el monitor, la desviación horizontales producida por el generador de base de tiempo, la desviaciónvertical es proporcional a la profundidad de la interface y el brillode los puntos, a la magnitud del eco.

Figura 9.12. Método básico de producción de imágenes utilizando un transductorcompuesto por un arreglo lineal de cristales

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A fin de modular la brillantez de cada punto de información, laseñal producida por el eco, después de procesada, se aplica entrecátodo y grilla del tubo de rayos catódicos del monitor.

La conversión de la magnitud del eco en brillantez puede serlineal o seguir otra función. Una conversión no lineal podría serlogarítmica, que se logra mediante el empleo de un amplificadorlogarítmico. Su característica es incrementar la brillantez de los ecosde menor amplitud, es decir, aquellos provenientes de interfacescon poca diferencia en impedancia acústica.

Con la amplificación logarítmica se logra descubrir detallesanatómicos que, de no ser procesados de esta forma, pasaríandesapercibidos. Con la amplificación logarítmica se logran imágenescon más detalles y de mejor calidad.

Otra forma de conversión no lineal es mediante el empleo deconvertidores digitales, cuyo principio de funcionamiento seanalizará más adelante en este capítulo.

La imagen obtenida en Modo B es normalmente almacenada enla memoria del convertidor de barrido (Scan converter memory). Estainformación puede ser procesada digitalmente, reproducirse,imprimirse en papel, borrarse o ser "manipulada" mediante las técnicasde computación.

INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN MODO BBBBBEl instrumento básico que opera en Modo B esta formado por

los bloques mostrados en la figura 9.13. Para obtener imágenesde buena calidad debe ser operado por personal competente. Lamanipulación óptima de los controles del instrumento estaasociada a ciertos conocimientos anatómicos y clínicos, por lo quenormalmente el mismo médico especialista los manipula.

El cabezal esta sostenido por un sistema de "brazos" mecánicosque le permite gran libertad de movimiento y además proporcionainformación precisa y contínua de la posición y dirección del hazultrasonoro.

La figura 9.14, muestra un sistema mecánico que suministra losdatos con los cuales se determinan las coordenadas de posición ydirección del haz. El sistema consta de cuatro potenciómetros quese mueven en correspondencia con los ángulos de las articulaciones.Tres de ellas son mostradas en la figura; la cuarta corresponde a larotación del transductor.

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Alvaro Tucci R.

Los ángulos de las articulaciones mecánicas también podrían serdetectados por medio de sensores ópticos o magnéticos, que porno poseer partes móviles, estarían libres de desgaste ymantenimiento.

Figura 9.13. Diagrama en bloques de un instrumento que opera en Modo B

El Registro de Señales, detecta los ángulos y acondiciona lainformación para que sean interpretadas por el Convertidor de Barrido.El convertidor suministra los voltajes X-Y, que aplicados a las placasdel monitor reproducen las coordenadas.

El Generador de Pulsos, suministra la potencia necesaria paraalimentar el transductor. El sistema electrónico para la generaciónde impulsos y detección de ecos es similar al descrito para al barridoen Modo A. La diferencia fundamental estriba en que la señal deleco es empleada para modular la brillantez de los puntos en lapantalla del monitor.

En la Unidad TGC están los controles de Ganancia Cercana,Ganancia Lejana, Inicio de Pendiente y Pendiente. En el amplificadorde Radio Frecuencia se encuentra el control de ganancia, quedetermina la amplificación total del sistema. Los pequeños ruidoso artefactos son eliminados en el Demodulador.

Para cada eco, en el Convertidor de Barrido (Scan Converter) llegan

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tres señales X, Y, Z: Las señales X e Y son las que determinan laposición del haz en la pantalla del monitor, y la señal Z, modula subrillantez. En el Convertidor se procesa la imagen y se implementael sistema de acercamiento o “zoom”. Los controles de Foco,Brillantez, Contraste e Iluminación de la escala están en el Monitor.

Figura 9.14. Sistema mecánico para determinar la posición del transductor

EXPLORACIÓN EN TIEMPO REALEXPLORACIÓN EN TIEMPO REALEXPLORACIÓN EN TIEMPO REALEXPLORACIÓN EN TIEMPO REALEXPLORACIÓN EN TIEMPO REALLa exploración en tiempo real permite la visualización de

órganos en movimiento. Su principio de funcionamiento es similara una filmación; se producen 25 imágenes por segundo. A estapresentación se le llama también barrido tiempo–movimiento (T-Mscanning), barrido tiempo–posición (T-P scanning), barrido demovimiento (M scanning), y aplicado a la cardiología se le conocecomo ecocardiografía o cardiografía ultrasónica.

En la exploración en tiempo real, el proceso básico deproducción de imágenes consiste en relacionar la posición del eco,producido en la sección anatómica que se está explorando, conlas coordenadas X-Y en la pantalla del monitor.

La mayor parte de lo expuesto para la exploración en Modo Bes aplicable al barrido en tiempo real, hasta tal punto que muchosequipos se construyen para cumplir ambas funciones. En la figura9.15 se pone de manifiesto su similitud y diferencia.

En los sistemas de exploración en Tiempo Real, la formación deuna imagen (one frame) se completa en 25 ms. Durante ese tiempose producen unas 100 líneas de ecos. La calidad de la imagen esinferior a la exploración en Modo B, donde la imagen se produce

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Alvaro Tucci R.

con unas 500 líneas por segundo. Sin embargo, se hanimplementado métodos de procesamiento para mejorar su calidad.

Figura 9.15. Relación entre barrido en Modo B y en tiempo real

En los equipos de exploración en Tiempo Real, se generan yvisualizan de 20 a 40 imagenes o cuadros por segundo. Debido aesta rápida sucesión, el movimiento en la pantalla aparece como sifuera continuo. Esta presentación permite la observación deinterfaces en movimiento, como las válvulas cardíacas.

La rápida sucesión de imágenes es posible debido a la altavelocidad con que se transmiten los ultrasonidos en los tejidos. Eltiempo que transcurre entre la transmisión y la recolección de ecoses del orden de los 0,25 ms.

En la exploración en tiempo real hay dos factores queintervienen en la calidad de la imagen: el número de líneas de ecospor imagen y el ángulo visual. El número de líneas es limitado por lavelocidad con que deben producirse las imágenes y el ángulo visualno es mayor de 90º, ya que es difícil diseñar transductores que seadapten al contorno del cuerpo y que tengan ángulos mayores.

El término Barrido en Tiempo Real, aplica a instrumentos concapacidad de generar por lo menos 15 cuadros por segundo.Algunos instrumentos, diseñados para producir menos cuadros conmayor densidad de información, son adecuados para el estudio detejidos estáticos o de movimiento lento.

Los instrumentos de barrido en Tiempo Real se empleanfundamentalmente para visualizar la acción del corazón. Tambiénse utilizan para el estudio del movimiento de órganos que semuevan rápidamente, como los vasos, el corazón del feto, el

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movimiento ocular, las paredes faríngeas, la respiración fetal y lascontracciones estomacales.

Algunos instrumentos de barrido en tiempo real permiten quese le adapten otras unidades y convertirlos al Modo B.

La selección entre los equipos de exploración en Modo B o enTiempo Real depende de las aplicaciones a las cuales se les destina.Posteriormente en este capítulo se verá cuales son las limitacionesy aplicaciones de cada uno de éllos.

INSTRUMENTOS QUE OPERAN EN TIEMPO REALINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN TIEMPO REALINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN TIEMPO REALINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN TIEMPO REALINSTRUMENTOS QUE OPERAN EN TIEMPO REALLos transductores de los instrumentos de barrido en tiempo real

emiten el haz de ultrasonido en un abanico de direcciones. Los ecosque reciben de esas mismas direcciones son empleados para producirla imagen. Los principales tipos de transductores utilizados enequipos de Tiempo Real se muestran en la figura 9.16.

La forma más simple de obtener la imagen es por medio deltransductor oscilante, mostrado en la figura 9.16a. Este transductortiene un solo cristal, que oscila en forma similar a un columpio, movidopor un mecanismo que incorpora un pequeño motor eléctrico. Elcampo visual del instrumento es limitado a unos 90º. Se empleaprincipalmente para la exploración de pequeñas áreas como elcorazón, el ojo, los vasos sanguíneos. Es empleado en equiposespecíficos y de bajo costo.

La figura 9.16 b muestra el transductor rotativo, formado porcuatro cristales idénticos montados sobre una rueda. Los cristalesson activados uno a la vez cuando pasan frente a la ventana, deforma que el haz es dirigido hacia la parte frontal. El conjunto estácolocado dentro de un cilindro plástico lleno de aceite. Tanto elcilindro como el aceite son buenos transmisores de ultrasonido.

La rotación de los cristales se obtiene por medio de unpequeño motor eléctrico situado dentro del cabezal. Como loscristales pasan en forma secuencial frente a la ventana, se obtienencuatro imágenes por revolución. El ángulo visual es normalmente90º, pero si se activan dos cristales consecutivos a la vez, el campovisual se incrementa a 180º.

El barrido PPI (Plan Position Indicator), es una técnica de exploraciónen tiempo real con campo visual es de 360º. El cabezal, que contieneel transductor, se introduce en orificios como la vagina o el recto.El cristal, activado continuamente, gira dentro del cabezal y explora

263

Alvaro Tucci R.

todos los tejidos a su alrededor. La misma función se puede lograrcon dos cristales que "apuntan" en direcciones opuestas.

Figura 9.16. Tipos de transductores para barrido en tiempo real:(a) Transductor oscilante; (b) Transductor rotativo; (c) Transductor para barrido PPI;

(d) Tranductor con arreglo lineal de cristales.

El cristal, que está colocado dentro de una cápsula de plásticocomo la mostrada en la figura 9.16c, rota continuamente y emite unhaz de ultrasonido en ángulo recto respecto al eje del cabezal.

En los sistemas de presentación en tiempo real, donde el cristaloscila o rota, pudiera pensarse que su movimiento distorsiona laimagen debido a que el eco se recibe cuando el cristal no está enla misma posición de que cuando emitió el haz. Puede demostrarseque la distorsión debida a este hecho es despreciable; el tiempoque transcurre entre el momento en que se emite el haz y larecepción del eco, es muy pequeño en comparación con el ciclode rotación.

Para una velocidad de propagación de 1540 m/s y unaprofundidad de penetración de 8 cm, el tiempo que transcurre entrela emisión y la recepción del eco es:

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t = = 0,104ms

Si el cristal realiza dos revoluciones por segundo, en ese tiempohabrá rodado 0,075

o. Por lo tanto puede asumir que está estático.

La figura 16d muestra un cabezal con transductor lineal, formadopor varios cristales, colocados uno al lado del otro, que se activanen forma secuencial por grupos. De estas forma se transmiten hacesfinos y paralelos de ultrasonidos que se desplazan a lo largo deltransductor y cuyos ecos generan rápidamente la imagen. El ecoes detectado por el mismo grupo de cristales que lo produjo.

Los transductores con arreglo lineal incorporan de 20 a 400cristales acústicamente aislados. Un transductor típico de 3,5 MHzconsta de 100 cristales que ocupan una longitud de unos 12 cm.

Para generar el haz pulsado de ultrasonido, los cristales seactivan por grupos; por ejemplo, el 1, 2, 3, 4 y 5, luego el 2, 3, 4, 5 y6 y así sucesivamente. El haz ultrasonoro avanza 1 mm a la vez,hasta completar la longitud completa del transductor. Con los 100cristales se crearán 96 líneas de información que darán origen a laimagen.

El haz producido por este transductor se desplaza de unextremo al otro del cabezal. Comienza con el cristal de un extremoy termina con el cristal del extremo opuesto, para luego repetirsela operación. Por ello se dice que el transductor es de barrido lineal.La forma del haz de ultrasonidos es rectangular; es el producto dela longitud del arreglo de los cristales por su ancho.

Los transductores, cualquiera que sea su tipo, son de frecuenciafija, estandarizada, por ejemplo, 3,5; 5; o 7,5 MHz. Para cambiarla esnecesario reemplazar el cabezal completo. Se fabrican cabezales alos cuales se les puede cambiar únicamente el cristal, pero no sonprácticos y su costo es elevado.

Algunos equipos tienen la posibilidad de "enfocar" los tejidosque se encuentran a una "profundidad" determinada. La imagen seforma únicamente con ecos provenientes de esa profundidad. Si elequipo dispone de un control de profundidad, el operador está encapacidad de explorar planos a diferentes distancias del transductor.

0,16

1540

265

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RESOLUCIÓNRESOLUCIÓNRESOLUCIÓNRESOLUCIÓNRESOLUCIÓNPara cualquier técnica de formación de imágenes es importante

conocer cuál es la resolución del equipo, es decir, cuál es la interfacemás pequeña que el instrumento puede reconocer y ser visualizada.

La resolución expresa la capacidad de un equipo para mostrarlos detalles estructurales de los tejidos. Con instrumento de altaresolución se pueden observar detalles tisulares mas finos, lo queda origen a imagenes de mejor calidad. La resolución tambiénpuede definirse como distancia mínima a la cual se pueden distinguirdos puntos reflejantes como tales.

Para medirla, se recurre al concepto de resolución axial,resolución lateral y resolución temporal.

Figura 9.17. Resolución axial con diferentes longitudes de Onda

Resolución axialResolución axialResolución axialResolución axialResolución axial o de profundidad, se refiere a la habilidad delinstrumento para producir ecos separados de estructuras que seencuentran una detrás de la otra a lo largo del haz ultrasonoro.Depende de la longitud del tren de impulsos transmitidos; mientrasmás corto es el tren mejor es la resolución.

La frecuencia de la onda ultrasonora determina el límite de laresolución. Las estructuras que se encuentran separadas menosque una longitud de onda no podrán ser diferenciadas.

En la figura 9.17A, se observa que la separación de los objetoses mayor que la longitud del tren de ondas y sus dimensiones sonmayores que la longitud de onda, por lo tanto, se generan dosecos que claramente los identifican. En la figura 9.17B, la separación

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de los objetos es menor que la longitud de onda, por lo que no segenera ningún eco.

Resolución lateral,Resolución lateral,Resolución lateral,Resolución lateral,Resolución lateral, es la habilidad del instrumento para producirecos separados de estructuras que se encuentran una al lado de laotra; La resolución lateral depende fundamentalmente del anchodel haz.

La figura 9.18a muestra un haz estrecho, que al moverse enforma vertical da origen a dos ecos. La figura 9.18b ilustra un hazmás ancho que abarca los dos estructura simultáneamente, almoverse en forma vertical da origen a un solo eco.

Figura 9.18. Efecto del ancho del haz en la resolución del sistema.

La resolución lateral mejora si se incrementa la frecuencia. Parafrecuencias altas, el tren de ondas es de menor duración y másestrecho, puesto que el cristal que lo genera es más pequeño.

Un scanner de 3 MHz tiene una resolución axial de 1 mm y unalateral de 3 mm. El mismo instrumento de 5 MHz tiene resolucion de 0,5mm y 2 mm respectivamente. Sin embargo, debe notarse que a medidaque se aumenta la frecuencia el poder de penetración disminuye.

Resolución temporal,Resolución temporal,Resolución temporal,Resolución temporal,Resolución temporal, se define como la habilidad de separareventos en el tiempo. Aplica únicamente al scanner de tiempo real.La resolución temporal depende del número de imágenes porsegundo. Treinta imágenes por segundo son normalmentesuficientes para visualizar satisfactoriamente la mayoría de losórganos del cuerpo humano en movimiento, excepto quizás losmás rápidos movimientos cardíacos, como por ejemplo, el aleteode la válvula mitral.

PRESENTACIÓN DE LA IMAGENPRESENTACIÓN DE LA IMAGENPRESENTACIÓN DE LA IMAGENPRESENTACIÓN DE LA IMAGENPRESENTACIÓN DE LA IMAGENLos señales correspondientes a los ecos son procesadas

electrónicamente, de forma que el operador pueda relacionar las

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estructuras tisulares con la imagen. Para presentar la imagen seemplea la pantalla de un tubo de rayos catódicos (CRT), representadaen la figura 9.19. Los equipos de construcción reciente, empleanmonitores de pantallas planas de cristal líquido(LCD) de altaresolución .

La presentación de la imagen en el monitor depende del modo.En el Modo A, la desviación vertical está relacionada con la amplitudde los ecos. Las señales eléctricas, proporcionales a los ecos, sonaplicadas a las placas de desviación vertical del tubo de rayoscatódicos.

Figura 9.19. Estructura básica de un tubo de rayos catódicos.

Los equipos de vieja generación emplean el CRT con memoria,en ellos, la imagen permanece almacenada en la pantalla hasta queel operador decida borrarla. Este sistema ha sido reemplazado porlos convertidores de barrido, los cuales almacenan las imágenesen su memoria digital antes de ser enviadas al CRT.

Las medidas de las pantallas de los monitores varia desde 3 por4 cm hasta 30 por 40 cm. Las pantallas grandes son más adecuadaspara detectar y visualizar movimientos pequeños. Las pequeñasse emplean en equipos portátiles. La recubierta con fósforo blancoo de colores son es la más recomendable; en ella, se presenta lasimagen con tonos grises o colores de alta calidad.

VELOCIDADVELOCIDADVELOCIDADVELOCIDADVELOCIDADLa velocidad se refiere al número de imágenes por segundo

que genera el equipo. A medida que aumenta la velocidad el número

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de líneas que la forman disminuye. En los equipos de barrido entiempo real, no es posible aumentar el número de líneas mas alláde cierto valor, puesto que todo el tiempo disponible es empleadoen la recepción de los ecos.

Existe un compromiso entre la velocidad de presentación de lasimágenes y la densidad de las líneas. Si se explora un órgano conla velocidad de 20 imágenes por segundo, el número de líneas porimagen podría ser 160. Si se incrementa el número de imágenes a40, las líneas se reducen a 80.

La velocidad de presentación de la imagen está relacionada conla rapidez con que se mueve el blanco en estudio. Para un blancoque se mueve rápidamente, a pesar de la pérdida de detalles, espreferible una velocidad elevada.

Para velocidades inferiores a 20 imágenes por segundo seproduce un parpadeo inaceptable. Posteriormente en este capítulo,se describiran algunas técnicas para mejorar la presentación delas imágenes, aun cuando se emplean bajas velocidades.

EL EFECTO DOPPLEREL EFECTO DOPPLEREL EFECTO DOPPLEREL EFECTO DOPPLEREL EFECTO DOPPLEREl efecto Doppler se presenta cuando una fuente de sonido, el

observador, o ambos se mueven uno respecto al otro. La frecuenciadel sonido que percibe un observador, situado a cierta distanciade un objeto sonoro que se le acerca, es mayor que la observadacuando se aleja.

La figura 9.20 muestra en forma gráfica cómo es afectada lafrecuencia cuando existe movimiento relativo entre la fuenteemisora de sonido y un móvil. En la figura 9.20a se representa elmovimiento de ondas sonoras paralelas, con referencia a unobservador estacionario. La frecuencia (f) oída por el observadoren función de la velocidad del sonido (c) y su longitud de onda (l),está dada por:

En la figura 9.20b, el observador se acerca con velocidad (v) a lafuente de sonido, la frecuencia (fo) que percibe es dada por:

cλf =

c+vλfo =

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Alvaro Tucci R.

La relación entre ambas frecuencias es dada por:

En la figura 9.20c, el observador se aleja de la fuente de sonidocon velocidad (v), la frecuencia (fo) que oye es dada por:

En la figura 9.20d, el observador se mueve con velocidad (v) yángulo θ en el sentido indicado. La frecuencia que oye será:

En la figura 9.20e, el sonido incide con un ángulo θ en unainterface móvil que se aleja del observador. El observador estáticopercibe el eco cuya frecuencia es:

La relación entre frecuencias es:

por lo tanto: ….......…( 9.1)

El eco ultrasonoro, proveniente de las estructuras estáticas,tiene la misma frecuencia que el emitido por el transductor. Mientrasque la frecuencia del eco reflejado por interfaces en movimiento,sufre una desviación. La diferencia de frecuencias puedetransformarse en una señal indicadora del movimiento.

Los equipos médicos, que basan su funcionamiento en el efectoDoppler, detectan la variación de frecuencia causada por la reflexióndel sonido generado por una fuente fija cuando incide en unadiscontinuidad móvil.

v

c= 1+

fo

f

c - vλfo = f

c - v.cos θλ

fo =

2v.cos θ

c= 1 -fo

f

2v.cos θ

c 1-fo = f ( )

fo =c - 2v.cos θ

λ

270


Son empleados para medir la velocidad del torrente sanguíneo,el movimiento de las válvulas del corazón, o de las arterias enrespuesta a un pulso de presión, los latidos del corazón del feto, lalocalización precisa de la placenta, la detección de embarazosmúltiples y otras aplicaciones donde esté presente algún tipo demovimiento.

Figura 9.20. El efecto Doppler en diferentes situaciones

En el útero, ocupado por el feto, se identifican algunos ecoscaracterísticos de importancia clínica. El más intenso es el latidofetal, que es debido al paso de sangre por las arterias del feto.Según las estructuras en las que se oriente el haz ultrasonoro, se

271

Alvaro Tucci R.

identifica un sonido placentario característico, utilizado para localizarla placenta.

MEDIDA DE LA VELOCIDADMEDIDA DE LA VELOCIDADMEDIDA DE LA VELOCIDADMEDIDA DE LA VELOCIDADMEDIDA DE LA VELOCIDADDEL FLUJO SANGUÍNEODEL FLUJO SANGUÍNEODEL FLUJO SANGUÍNEODEL FLUJO SANGUÍNEODEL FLUJO SANGUÍNEO

La velocidad del flujo sanguíneo se puede determinar de dosmaneras: mediante el cambio de frecuencia por Efecto Doppler omidiendo el tiempo de tránsito.

El primero responde a la diferencia entre la frecuencia emitida(f) y la reflejada (fo), así:

Δf = f - fo …….( 9.2)

reemplazando (9.1) en (9.2) se obtiene:

Δf = ..…….( 9.3)

La diferencia en frecuencia se determina por medio del unsistema mostrado en la figura 9.21

Figura 9.21. Diagrama en bloques de un equipo basado en el efecto Doppler

La velocidad del flujo sanguíneo puede calcularse a partir de laecuación siguiente, derivada de la (9.3). Así:

v =

2v.f.cos θ

c

Δf c

2f cos θ

272


donde:Δf es la diferencia de frecuencias.f es la frecuencia del generador.

θ es el ángulo que forma el transductor con el vaso.

c es la velocidad del sonidov es la velocidad de la sangre

Otra forma para medir la velocidad de la sangre en un vaso seefectúa por medio de la determinación del tiempo de tránsito. Eldiagrama en bloques del equipos es mostrado en la figura 9.22.

Figura 9.22. Diagrama en bloque de un medidor de flujo sanguíneobasado en la medida del tiempo de tránsito.

La distancia D, que viaja el sonido en el sentido de la corrientesanguínea es dada por:

D = Td (c + v cos θ)

donde:

Td es el tiempo de tránsito en sentido de la corriente.

c es la velocidad del sonido en la sangre.

v es la velocidad de la sangre en el vaso.

θ es el ángulo de incidencia del haz ultrasonoro

respecto al vaso.

En el sentido de la corriente sanguinea, la velocidad del sonidose incrementa debido a que es “arrastrado”, por lo tanto, el tiempo

273

Alvaro Tucci R.

de tránsito empleado para recorrer una distancia dada es menor.La distancia D que viaja el sonido en sentido inverso a la

corriente sanguínea es dada por:

D = Ti (c – v cos θ)

La diferencia en el tiempo de tránsito ΔT es:

ΔT = Ti – Td

pero como (c2) es mucho mayor que (v.cos θ )

2se obtiene:

ΔT =

Entonces la velocidad del flujo sanguíneo es dada por laexpresión:

v = .............(9.4)

El equipo que mide la velocidad del torrente sanguíneo,representado en la figura 9.22, funciona de la siguiente manera:

• El selector de señales invierte periódicamente la función de loscristales; cuando uno es el emisor el otro es el receptor y viceversa.La inversión se logra al cerrar S1 y S2 en forma alternada. En elprimer estado, el tiempo de tránsito en sentido del flujo sanguíneoTd, es el que transcurre entre la emisión de ultrasonidos por elcristal 1 y la recepción por el cristal 2.• En el segundo estado, el tiempo de tránsito en sentidocontrario al flujo sanguíneo Ti, es el que transcurre entre laemisión de ultrasonidos por el cristal 2 y la recepción por elcristal 1. Conociendo los tiempos de tránsito se calcula ΔT ypor medio de la ecuación 9.4. determina la velocidad (v) delflujo.

2v D cos θ

c2

ΔT c2

2D.cos θ

2v D cos θ

c2+(v cos θ)

2

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SISTEMA DE COMPENSACIÓNSISTEMA DE COMPENSACIÓNSISTEMA DE COMPENSACIÓNSISTEMA DE COMPENSACIÓNSISTEMA DE COMPENSACIÓNTIEMPO-GANANCIA (TIEMPO-GANANCIA (TIEMPO-GANANCIA (TIEMPO-GANANCIA (TIEMPO-GANANCIA (TGCTGCTGCTGCTGC)))))

Generalmente, los equipos destinados a producirultrasonografias están provistos de un sistema conocido como TGCo compensación tiempo-ganancia (Time-Gain Compensation). Estatécnica, empleada para mejorar la calidad de la imagen, consiste enincrementar la ganancia del amplificador en función del tiempotranscurrido desde el momento en que se emite el tren deultrasonidos. De esta forma, los "últimos ecos" que regresan altransductor de son amplificados más .

El tren de ultrasonidos, en su recorrido, primero alcanza lasinterfaces cercanas y luego las profundas. Para un mismo tipo deinterface, los ecos provenientes de las más profundas son de menoramplitud que los originados en las interfaces cercanas.

El haz de ultrasonido, para alcanzar interfaces profundas, deberecorrer mayor distancia antes de regresar al transductor, y en surecorrido se atenúa. El sistema TGC, compensa por el decrementode amplitud de estos ecos.

La figura 9.23 muestra la acción del sistema de compensacióntiempo–ganancia. La amplificación en función del tiempo es ajustadapor un conjunto de controles accesibles al operador, que los empleapara mejorar la calidad de la imagen.

Figura 9.23. Acción de los controles del TGC.

Ganancia CercanaGanancia CercanaGanancia CercanaGanancia CercanaGanancia Cercana (Near gain). Es un control empleado parareducir la sensibilidad del amplificador de los ecos muy cercanos,como los que se producen en la interface de la piel con el

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Alvaro Tucci R.

transductor. Su acción, es minimizar los ecos producidosinmediatamente después de la emisión del tren de pulsos. En lagráfica de la figura 9.23 se indica cómo modifica la ganancia delamplificador.

Inicio de pendienteInicio de pendienteInicio de pendienteInicio de pendienteInicio de pendiente (Slope start). Es un control que determinaa que profundidad la ganancia del amplificador empieza aincrementar.

PendientePendientePendientePendientePendiente (Slope). Ajusta la rata de crecimiento de la gananciadel amplificador en función de la profundidad o el tiempo.Normalmente se expresa en dB.

Ganancia LejanaGanancia LejanaGanancia LejanaGanancia LejanaGanancia Lejana (Far gain). Es un control utilizado para ajustarla ganancia de los ecos provenientes de las interfaces más alejadosde la fuente de ultrasonidos.

En el diagrama en bloques de la figura 9.9, se observa que laUnidad TGC es iniciada por el generador de pulsos. Su salida, aplicadaal amplificador de RF, hace que su función de transferencia se ajustea la forma mostrada en la figura 9.23.

La ganancia del amplificador, inmediatamente después que segenera el haz ultrasonoro, es pequeña, luego incrementa con eltiempo siguiendo una de las pendientes, de manera que los ecoslejanos experimenten mayor amplificación.

CONVERTIDORES DE BARRIDO YCONVERTIDORES DE BARRIDO YCONVERTIDORES DE BARRIDO YCONVERTIDORES DE BARRIDO YCONVERTIDORES DE BARRIDO Y PROCESAMIENTO DE IMAGENES PROCESAMIENTO DE IMAGENES PROCESAMIENTO DE IMAGENES PROCESAMIENTO DE IMAGENES PROCESAMIENTO DE IMAGENES

La información contenida en los ecos no tiene ningún significadopara el operador, ya que no puede interpretarla. El convertidor debarrido (Scan converter) es el dispositivo que se encarga de estafunción. "Acumula" y procesa la información, la almacena y luego laprocesa nuevamente para adecuarla a la pantalla del monitor.

Su nombre deriva del hecho que acepta señales eléctricassecuenciales provenientes de los ecos de cada barrido; línea porlínea, y para crear la imagen en el monitor, las convierte en unaforma de barrido diferente, por ejemplo, una serie de líneashorizontales de televisión.

Para obtener de las imagenes la mayor cantidad deinformación, con lo que se aumenta el poder de diagnóstico, enel procesador se implementan ciertas rutinas dirigidas a resaltardetalles, que de otra manera podrían pasar desapercibidos. Seimplementa, por ejemplo, la escala de grises, bien conocida a

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partir de la fotografía convencional, o se resalta la informaciónque aportan los ecos pequeños en la formación de la imagen.

Los convertidores de barrido pueden ser digitales o analógicos.Los analógicos, formados por un CRT con memoria, almacenan lainformación como cargas eléctricas distribuidas sobre la superficiede silicio de su pantalla. Estos convertidores, presentes en equiposde vieja data, son reemplazados por los convertidores digitales.Estos últimos, son básicamente pequeñas computadoras con grancapacidad memoria donde la imagen es almacenada.

La imagen ultrasonográfica está formada por un conjunto depuntos más o menos brillantes. Su calidad depende de la técnicaque se emplea para la recolección y el procesamiento de los datos.Algunas técnicas son descritas a continuación.

BARRIDO SIMPLEBARRIDO SIMPLEBARRIDO SIMPLEBARRIDO SIMPLEBARRIDO SIMPLEEs una forma de barrido en tiempo real, preferentemente

empleado en Modo B. Cada eco es el resultado de “interrogar”cada discontinuidad en la región donde es dirigido el hazultrasonoro. Su magnitud, es convertida en un punto cuyaluminosidad o tono gris depende de las propiedades reflectorasde la discontinuidad.

BARRIDO COMPUESTOBARRIDO COMPUESTOBARRIDO COMPUESTOBARRIDO COMPUESTOBARRIDO COMPUESTOEn el barrido compuesto, la imagen se va formando con la suma

de los ecos generados por la interrogación repetitiva de cadadiscontinuidad. De esta manera, la imagen final se forma con lacontribución de imágenes sucesivas que se sobreponen. Laluminosidad de las estructuras dependen de sus propiedadesreflectoras y de la rata de repetición con que son detectadas.

Cuando se efectúa el barrido, la información de las estructurasanatómicas suministrada por los ecos, es almacenada en la memoriadigital. Si el barrido compuesto, cuando se detecta un nuevo ecoproveniente del mismo punto, se almacena únicamente si es mayorque el eco previamente almacenado, con lo cual se logran imágenesde mejor calidad.

CONVERTIDORES DE BARRIDO DIGITALESCONVERTIDORES DE BARRIDO DIGITALESCONVERTIDORES DE BARRIDO DIGITALESCONVERTIDORES DE BARRIDO DIGITALESCONVERTIDORES DE BARRIDO DIGITALESEn los sistemas digitales la imagen está formada por un gran

número de pequeños puntos o celdas llamadas pixels. Una imagen

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Alvaro Tucci R.

ultrasonográfica de 25 por 20 centímetros podría estar formadapor 50.000 pixels de un milímetro cuadrado cada uno, organizadosen una matriz de 200 filas por 250 columnas.

Con los datos así organizados, se facilita su procesamiento porlos métodos convencionales de computación. Pueden realizarse,por ejemplo, operaciones de actualización de datos, promediarseñales provenientes del mismo punto, sobreponer o restarimágenes, realizar operaciones estadísticas, comparar imágenes ocopiarlas.

La memoria de la computadora está estructurada de tal formaque a cada pixel le corresponde una localidad. En cada localidadestá almacenado un número binario cuyo valor es proporcional a lamagnitud del eco que lo produjo. Cada número binario representaun color o un tono gris. Para números binarios iguales lecorresponde el mismo color o tono gris. La figura 9.24 muestraeste arreglo.

Para construir una imagen, aparte de la información relacionadacon el tono gris, se debe conocer el lugar de donde procede cadaeco, para lo cual el transductor debe suministrar las coordenadasde su posición. De él emergen tres señales analógicas, x, y, z, lasdos primeras son de posición y la tercera contiene la informaciónsobre el tono gris. Las tres señales son llevadas al digitalizadorque las convierte en digitales.

000072145255140

078055050

022

1058410585105861058710588

105891059010591

10592

Brillo Localización

Figura 9.24. Distribución de los pixels y su almacenamiento en la memoria

278


Para cada eco, del digitalizador surgen tres señales digitalesllamadas X ,Y, Z, que suministran los datos suficientes para“ensamblar” la imagen. Las X e Y proporcionan la localización delpixel en la matriz de puntos, mientras que la Z determina su tono.

Para la señal Z se emplean 32 o 64 niveles de grises, lo queequivale a 5 o 6 bits por pixel. El número de niveles de grises,multiplicado por el número de pixels que integra la matriz,determinan la capacidad de la memoria del convertidor.

En algunos equipos, la señales de posición son suministradaspor el transductor en forma digital. En este caso, el digitalizadorsolo se encarga de convertir la señal z.

En el convertidor, el procedimiento de escritura en la memoriadura aproximadamente 1us y una imagen completa es leída en unos40ms. Por consiguiente, se dispone de tiempo suficiente para queen un segundo se pueden producir de 20 a 30 imágenes, que es elmínimo requerido para eliminar el parpadeo.

Las memorias de los convertidores de barrido tienen capacidadpara almacenar matrices de 640 por 512, con lo que se generanimágenes de 30 por 25 cm. Cada pixel está formado por un cuadradode 0,5 mm de lado. Mientras más pequeñas son las dimensiones delos pixels, mayor es la resolución de la imagen.

Figura 9.25. Diagrama en bloques de un convertidor analógico/digital

Rango dinámico 40 dB(100 : 1)Palabra de 8 bits

Compresión de señal (Palabrade 8 a 5 bits)

Almacenamientoy adecuación

Procesamientode escala de grises(Palabra de 5 a 8 bits)

Señal de video

AlmacenamientoBrillo Localización

Pre-proceso

Eco proveniente del receptor

Post-proceso

Convertidor digitala analógico

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Alvaro Tucci R.

CONVERSIÓN ANALÓGICO / DIGITALCONVERSIÓN ANALÓGICO / DIGITALCONVERSIÓN ANALÓGICO / DIGITALCONVERSIÓN ANALÓGICO / DIGITALCONVERSIÓN ANALÓGICO / DIGITALEl proceso de conversión de los ecos es llevado a cabo por el

convertidor analógico/digital, conocido también como ADC(Analogical to Digital Converter). Existen varios métodos deconversión que pueden ser analizados en publicacionesespecializadas. Aquí se describe por medio del diagrama en bloquesuno de ellos.

Los detalles de cada bloque y los circuitos que lo componenson particulares para cada equipo; dependen del fabricante. Amanera de ejemplo, se describe el funcionamiento del convertidormostrado la figura 9.25

En el ADC se realiza una operación conocida como digitalización.Consiste en medir, a intervalos regulares, el voltaje de la señalanalógica y digitalizar la medida. Por ejemplo, en la figura 9.26 setoman mustras cada milisegundo, para luego convertirlas en unnúmero binario cuyo valor está relacionado con el voltaje medido.Este procedimiento es conocido también como muestréo (sampling)

Cada vez que se efectúa un barrido, se obtiene nueva informacióndigital que es dirigida al mismo lugar de memoria, pero evidentementeno todas puede ser almacenadas. Una computadora se "encarga" deseleccionar la información mas adecuada de acuerdo a algún griteriopreviamente establecido. Por ejemplo, podría seleccionar el valormás grande, o calcular el valor promedio y almacenarlo o determinarel valor central.

Figura 9.26. Muestreo de un eco a intervalos de 1 ms.

280


PRE PROCESAMIENTOPRE PROCESAMIENTOPRE PROCESAMIENTOPRE PROCESAMIENTOPRE PROCESAMIENTOCuando se efectúa el proceso de digitalización, usualmente

se producen 256 niveles de grises que son representados por unnúmero binario de 8 bits.

El pre-procesamiento, llamado compresión, consiste en reducirel número de niveles a 32, con lo que se reduce la capacidad de lamemoria y el tiempo de acceso. La compresión preserva lainformación necesaria para el diagnóstico, ya que es prácticamenteimposible distinguir más de 32 niveles de grises. Algunosconvertidores no utilizan la etapa de compresión.

Durante el procedimiento se emplea una de las siguientesopciones:

1.- La compresión lineal donde los datos comprimidos sontransferidos directamente a la memoria, sin someterlos aprocesamiento alguno.2.- La compresión logarítmica puede ser de dos tipos: Ladestinada a favorecer la visión de los ecos más pequeños,particularmente los provenientes de los tejidos glandulares yla que no enfatiza los ecos muy pequeños.3.- La compresión que favorece la visión de los ecos promedio,útil para delinear las superficies anatómicas y estructurasinternas.

ALMACENAMIENTOALMACENAMIENTOALMACENAMIENTOALMACENAMIENTOALMACENAMIENTOLos datos, una vez comprimidos, son enviados a medida que

se producen a la unidad de almacenamiento, que consisteesencialmente en una memoria digital.

La forma para almacenar datos puede tener varias opciones(algoritmos) que el operador del equipo puede seleccionar.

La forma más simple, consiste en colocar los datos, productode cada barrido, en su respectivo lugar de memoria y reemplazarlos precedentes. Esta modalidad se genera una imagen nueva cadavez que se produce un barrido.

Es modo de operación muy útil para la búsqueda oreconocimiento (Search o Survey mode). La imagen, es continuamenterenovada en la medida en que el haz se desplaza de un lado paraotro buscando alguna particularidad en los tejidos de interés. Laalta velocidad de escritura y lectura de los convertidores permiteque la renovación de la imegen se realize rápidamente.

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Alvaro Tucci R.

Una segunda opción podría comparar el nuevo dato con elexistente. Si el existente es mayor, no se efectúa ningún cambio.Si el nuevo dato es mayor, una fracción de la diferencia se suma alvalor anterior, de forma que el nivel de la señal aumentagradualmente hacia un máximo.

A este sistema, se le conoce como modo de actualizacióncompuesto o integral (Compound or integrating update mode).

Otro algoritmo de actualización podría ser el de promediar elnuevo dato con el existente y colocar el resultado en el mismolugar de la memoria. Con este sistema, se obtiene una imagen conmejor estimación de las zonas de reflexión en los tejidos.

Aparte de los algoritmos antes descritos, existen muchas otrasopciones adoptadas por los fabricantes.

En el ejemplo anterior, con una matriz de almacenamiento de640 por 512 pixel, los valores numéricos son leídos línea por líneapara formar la imagen en la pantalla del monitor. La señal de barridohorizontal del monitor se repite 512 veces por imagen y está ensincronismo con el inicio de la lectura de cada línea. El procedimientode adquisición de nuevos datos, su lectura y puesta en pantalla, serepiten unas 25 veces por segundo.

POST-PROCESAMIENTOPOST-PROCESAMIENTOPOST-PROCESAMIENTOPOST-PROCESAMIENTOPOST-PROCESAMIENTODurante el procedimiento de lectura de los números almacenados

en la matriz, es usual modificar su valor. A estas modificaciones se lellama post-procesamiento. Tienen por objeto suministrar al operadorla posibilidad de producir el tono de gris deseado. La imagen puedeser más clara o más oscura, con mayor o menor contraste.

Para efectuar post-procesamiento se coloca, antes de hacer laconversión, el valor de cada numero binario en un registro intermediodonde se le suma o resta otro número. Normalmente el registrointermedio es de 8 bits; tiene capacidad para almacenar un númerocomprendido entre 0 y 255. Pero como la magnitud del eco en lamemoria está comprendido entre 0 y 31, es posible sumarle orestarle otro numero cuyo valor depende de la opción. La figura9.27 muestra cuatro formas de post-procesamiento conocidascomo opciones gamma.

La opción A es una transferencia lineal, donde los datos nosufren ninguna modificación numérica. En la opción B se comprimenlas señales de mayor valor, con lo que se obtienen imágenes de

282


alto contraste. La opción C ofrece un contraste menor, y la opciónD, produce una imagen de bajo contraste, obtenida por medio dela compresión de los ecos de menor valor.

Figura 9.27. Cuatro opciones del post-procesamiento de los ecos

En la etapa de post-procesamiento, se pueden realizar otrasmanipulaciones numéricas particulares de cada equipo. Acontinuación se describen dos posibilidades. Si el equipo seadquiere con la opción de post-procesamiento, normalmente esposible reprogramarlo para hacer tareas similares o de mayorcomplejidad.

Una técnica estadística consiste en agrupar los ecos por suamplitud y construir con ellos una curva. Se observa que ladistribución depende del tipo de tejido examinado. Por ejemplo, laexperiencia muestra que los ecos de un hígado cirrótico contienenecos de mayor amplitud que los de un hígado normal.

Otra técnica se basa en el hecho de que un cambio abrupto dela amplitud de un eco respecto a sus vecinos en una imagendigitalmente almacenada, no representa verdaderamente cambiosen las estructuras de los tejidos. La experiencia demuestra que enlas estructuras anatómicas esos cambios son inexistentes.

En estos casos, se aplican técnicas estadísticas de alisado oaplanamiento, que consisten en aproximar el contenido de cadalocalidad de memoria a los valores circundantes. Como es deesperar, esta técnica reduce la resolución de la imagen.

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CONVERSIÓN DIGITAL/ANALÓGICACONVERSIÓN DIGITAL/ANALÓGICACONVERSIÓN DIGITAL/ANALÓGICACONVERSIÓN DIGITAL/ANALÓGICACONVERSIÓN DIGITAL/ANALÓGICALa conversión digital/analógica, consiste en transformar el

número binario en un voltaje proporcional al valor del número. Esefectuada por el convertidor digital /analógico (Digital to AnalogConverter o DAC).

La conversión, tiene por objeto producir los voltajes analógicos,que aplicados al tubo de rayos catódicos del monitor, puedanproducir una imagen visible en la pantalla. Podría verse tambiéncomo la conversión de los valores numéricos almacenados en lamatriz de memoria en una matriz de pixeles de diferentesluminosidades.

CONVERSIÓN EN TIEMPO REALCONVERSIÓN EN TIEMPO REALCONVERSIÓN EN TIEMPO REALCONVERSIÓN EN TIEMPO REALCONVERSIÓN EN TIEMPO REALLa característica principal de los convertidores digitales,

empleados en equipos con barrido en tiempo real, es latransferencia de la imagen hacia la memoria a alta velocidad, puestoque para una buena secuencia visual se requieren 25 imágenes porsegundo.

Como la información proveniente de los transductores entiempo real es transferida directamente en pantalla, surge lapregunta del porqué se emplean memorias de almacenamiento.Evidentemente, no son necesarias para formar la imagen, sinembargo, agregan ciertas facilidades esenciales como:

- Congelación de la imagen.- Capacidad de post-procesamiento en tiempo real.- Conversión de imágenes en tiempo real, en formatos estándar

de televisión para registro en videocasete.

CONTROLES DE LOS CONVERTIDORESCONTROLES DE LOS CONVERTIDORESCONTROLES DE LOS CONVERTIDORESCONTROLES DE LOS CONVERTIDORESCONTROLES DE LOS CONVERTIDORESLos controles de los convertidores pueden clasificarse en dos

tipos: los que modifican la presentación de la imagen y los queactúan sobre el procesamiento de los datos.

Los que modifican la presentación son:- Foco.- Brillantez.- Contraste.- Zoom. Utilizado para magnificar áreas de interés de la imagen.- Subdivisión de la pantalla. Para ver simultáneamente varias

imágenes.

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- Polaridad. Presentación de los ecos como puntos blancossobre un fondo negro o viceversa.

Los controles de procesamiento varían sensiblemente entreuna marca y otra, sin embargo, la mayor parte de los equipos tienencontroles que realizan las tareas descritas en el pre-procesamientoy post-procesamiento.

CONVERTIDORES ANALÓGICOSCONVERTIDORES ANALÓGICOSCONVERTIDORES ANALÓGICOSCONVERTIDORES ANALÓGICOSCONVERTIDORES ANALÓGICOSLos convertidores analógicos, incorporados en equipos

construidos antes de la invasión de la tecnología digital, tienen lamisma función que los digitales. Constan esencialmente de un tubode rayos catódicos con “memoria”, donde el fósforo de la pantallaha sido reemplazado por una capa de material aislante capaz deretener el patrón de las cargas eléctricas en su superficie. Lafigura 2.28 muestra uno dispositivo de este tipo.

En estos tubos, utilizados también en osciloscopios conmemoria, el sistema de almacenamiento está compuesto por unacapa de material conductor, sobre la que se deposita un arreglo depequeños cuadrados . El número de cuadrados es del orden devarios cientos de miles, por lo tanto sus dimensiones son muchomenores que el diámetro del haz de electrones que incide en lapantalla.

Cada cuadrado está aislado de sus vecinos y tiene brillantezpropia. Cuando el haz de electrones "barre" la pantalla va cargandoesos cuadrados, que responden emitiendo una luz proporcional ala intensidad del haz de electrones que los cargó.

Figura 9.28. Estructura de un tubo de almacenamientoutilizado por los convertidores analógicos

Placas deflectorasHaz de electrones

Grilla

Tarjetade

almacenamiento

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Alvaro Tucci R.

Desde el punto de vista de la imagen ultrasonora, la pantallapuede considerarse como una hoja de material uniforme, capaz dealmacenar imágenes con alta resolución, en forma de cargaseléctricas distribuidas en su superficie.

Para almacenar la imagen, se barre la pantalla en forma similar alconocido método de desviación horizontal y vertical empleado porla televisión. El haz de electrones es modulado por la amplitud delos ecos. Las líneas de barrido horizontal, están sincronizadas conlas del haz ultrasonoro que explora el paciente.

Los ecos, son almacenados en la pantalla a lo largo de cadalínea de barrido como puntos, cuya brillantez es proporcional a sumagnitud. Para modular el haz de electrones que incide en lapantalla, se aplica el voltaje que representa los ecos entre cátodoy grilla del tubo de rayos catódicos. La brillantez de la imagen puedeser ajustada por medio de un control denominado Nivel de Lectura(Read level).

APLICACIONES CLÍNICASAPLICACIONES CLÍNICASAPLICACIONES CLÍNICASAPLICACIONES CLÍNICASAPLICACIONES CLÍNICASLas aplicaciones clínicas de los ultrasonidos se van

incrementando rápidamente. El desarrollo de nuevos transductores,permite la exploración especializada dirigida a ciertos órganos,como por ejemplo el control ultrasonográfico en la detecciónprecoz del cáncer de los ovarios. La calidad de las imágen esmejorada sensiblemente mediante la incorporación del color, lasimagenes tridimencionales y de alta resolución.

Algunas de las aplicaciones son las siguientes:

ECOENCEFALOGRAFÍAECOENCEFALOGRAFÍAECOENCEFALOGRAFÍAECOENCEFALOGRAFÍAECOENCEFALOGRAFÍASe llama ecoencefalografía, a la técnica que se usó durante

muchos años para determinar el desplazamiento de la masaencefálica respecto a la línea media; dicho desplazamiento seproduce por efecto de una lesión o enfermedad.

Esta determinación es muy útil en casos de accidentes,especialmente los automovilísticos, donde no se cuenta con eltiempo ni las instalaciones adecuadas para estudios angiográficos.Permite decidir si es necesaria una intervención quirúrgica inmediata.Se realiza con instrumentos bastante simples que pueden serinstalados en ambulancias.

La frecuencia de operación de estos equipos es usualmente

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de 2 MHz. La longitud de onda de 0,75 mm es lo bastante corta paragenerar datos precisos respecto a las interfaces buscadas. Con eltransductor de 15 mm de diámetro, es posible hallar en el áreatemporal un punto de aplicación donde su superficie haga buencontacto.

Los transductores de 4MHz, con diámetro de 10 mm, empleadosen los casos de hidrocefalia infantil, son útiles para la identificaciónde hematomas subdurales en el lado de la hemorragia, dondeno se requiere gran profundidad de penetración.

OFTALMOLOGÍAOFTALMOLOGÍAOFTALMOLOGÍAOFTALMOLOGÍAOFTALMOLOGÍAEl ojo humano constituye un órgano ideal para el estudio

ultrasonográfico. Comprende la córnea, la cámara anterior, elcristalino, el espacio del humor vítreo, con su líquido homogéneo,la retina y la pared posterior.

Una de las más importantes aplicaciones de la ultrasonografíaen modo A, aparte de la localización de cuerpos extraños dentrodel ojo, es poder realizar las medidas del globo ocular. Por mediode este estudio, pueden apreciarse los cambios que ocasionanciertas enfermedades como el glaucoma o la miopía.

El ecograma del ojo normal suele mostrar un diámetropromedio, desde el eco anterior hasta el posterior, de 22 a 26mm. Las principales interfaces se enuentran distribuidas así: Elespesor de la cámara anterior es de unos 2 mm, el cristalino tieneunos 4 mm y la cavidad del humor vítreo tiene un diámetroaproximado de 18 mm. Como este estudio requiere de pocaprofundidad de penetración y mucha resolución, se empleantransductores con frecuencia cercana a los 7,5 MHz. La altaresolución permite localizar cuerpos extraños muy pequeñosdentro del globo ocular.

Con el único fin de resaltar la gran utilidad de los ultrasonidospara el diagnóstico, se describen a continuación algunos detallesrelacionados con un estudio oftalmológico: Después de aplicar laanestesia local, el transductor impregnado de jalea se colocadirectamente sobre la córnea. La cámara anterior, el cristalino y lacavidad del vítreo son homogéneos y no generan ecos.

Un resultado interesante del análisis de la cavidad del vítreo, essu respuesta acústica variable. El patrón de respuesta interpretadopor un experto, permiten determinar la naturaleza ciertas lesiones.

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Por ejemplo, los ecos generados por las hemorragias recientesdifieren de las que datan de algunos días. Las recientes producenecos nítidos, mientras que las más antiguas se vuelven máshomogéneas, o quizás no reflejen patrón alguno.

Uno de los diagnósticos más importantes, es la detección deldesprendimiento seroso o líquido de la retina. En el primero, ellíquido subretiniano tiene homogeneidad acústica y no refleja ecos.En el seroso o sólido, los ecos se reflejan en términos de múltiples“blips” que perturban la línea basal y se extienden hacia atrás paraabarcar también la pared del globo. La exploración en modo A escapaz de identificar la presencia del desprendimiento sólido. Tambiénidentifica tumores de la retina, o los localizados detrás de estacapa, en la región coroidea.

CEFALOMETRÍACEFALOMETRÍACEFALOMETRÍACEFALOMETRÍACEFALOMETRÍAEl embarazo, constituye un estado en el cual el empleo de

radiaciones ionizantes es limitado, particularmente durante lasprimeras semanas, ya que la exposición a los rayos X producealteraciones genéticas.

Por otra parte, el abdomen de la embarazada es particularmenteidóneo para la técnica ultrasonográfica; que por estar lleno de líquidopresenta muy buen contraste ultrasonoro.

La cefalometría, es una técnica ultrasonográfica inocua y precisa,que es utilizada para medir el diámetro biparietal de la cabeza delfeto. Permite predecir la fecha probable del parto y el peso neonatal.Aparte de la cefalometría, aporta datos que corroboran el cálculoclínico de la edad gestacional; datos indispensables para adelantarel parto.

ECOCARDIOGRAFÍAECOCARDIOGRAFÍAECOCARDIOGRAFÍAECOCARDIOGRAFÍAECOCARDIOGRAFÍAEn Suecia, Elder y Hertz, en 1954, demostraron que la estructura

del corazón, al ser explorada con un transductor de 2,5 MHz,reflejaba los ultrasonidos. Observaron que el “movimiento” de losecos estaba relacionado con las estructuras cardíacas, y debido aello, fue evidente que podía utilizarse para el diagnóstico.

Con la ecografía en Modo A, pueden hacerse medicionesprecisas de las dimensiones de la pared del tórax, de la paredposterior del ventrículo izquierdo y derecho, y en general, delespesor del miocardio.

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La ecografía en Modo B, aparte de suministrar informaciónreferente a la profundidad de las estructuras, permite estudiar elmovimiento valvular y del miocardio. Es útil para el diagnóstico devalvulopatías, puesto que suministra información relacionada conla operación de las válvulas y otras estructuras como las paredesprotésicas sana y enfermas.

Los ecocardiogramas, contienen patrones característicos delmovimiento vascular y detalles estructurales de válvulas normalesy enfermas. La interpretación del eco de una válvula en particular,correlacionado con el análisis de los registros de los ruidoscardíacos, permite la detección de ciertas alteraciones es esa válvula.

La obstrucción de cualquier válvula cardíaca recibe el nombrede estenosis, en tanto que la pérdida por dicha estructura, seconoce como insuficiencia o regurgitación.

Por medio de la ecocardiografía, se detectan coágulossanguíneos y derrames pericárdicos, que es la acumulación delíquido en el saco que rodea el corazón. Se detectan calcificacioneso fibrosis intensas, que suelen manifestarse por una mayor brillantezde los ecos. La calcificaciones intensas, causa de inmovilidad relativade las válvulas, se manifiestan como una imagen de menor amplitud.

La ecografía en Tiempo Real, es útil para detectar unaenfermedad segmentaria o global del miocardio. Son tambiéndetectadas las anormalidades en el movimiento de la pared cardíaca,las enfermedades de la arteria coronaria o miocardiopatíasintrínsecas.

Su aplicación aporta datos anatómicos y hemodinámicos, delos cuales pueden deducirse por cálculo, muchos índices delfuncionamiento del ventrículo izquierdo, incluidos el gasto cardíacoy la fracción de expulsión.

El diagnóstico mediante el empleo de ultrasonidos se haextendido y refinado durante los últimos años y seguramente loseguirá haciendo. Se prevé, entre otras innovaciones, laincorporación creciente de sistemas computarizados para laobtención de imágenes tridimensionales de alta calidad, mejoresdiseños de transductores, nuevas áreas de exploración y mejorcalidad de la imagen.

Los equipos modernos tienden a ser más pequeños y de menorconsumo. Los inconvenientes mecánicos propios del Modo B seestán solucionando. La calidad de la imagen de los equipos de

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Alvaro Tucci R.

tiempo real está en continuo mejoramiento. Se está prestandoespecial atención a la forma del haz ultrasonoro y a su enfoqueelectrónico.

ONDA DE CHOQUE, LITIASIS Y ESWTONDA DE CHOQUE, LITIASIS Y ESWTONDA DE CHOQUE, LITIASIS Y ESWTONDA DE CHOQUE, LITIASIS Y ESWTONDA DE CHOQUE, LITIASIS Y ESWTOtra aplicación de los ultrasonidos en medicina es la onda de

choque extracorpórea. Consiste en una onda de alta presióngenerada fuera del cuerpo que se aplica en la superficie corporal.De allí se desplaza por los tejidos hacia un foco específico.

Se caracteriza por tener una presión de más de 100 atmósferas,con tiempo de alzada de 30-120 nanosegundos y duración de unos5 milisegundos. El ancho del frente de onda es de 0,001 mm, por loque las paredes celulares se someten a un gradiente de presiónmuy elevado.

Su efecto se manifiesta en las interfaces, como la de tejido-hueso, donde entrega su energía cinética. Su alta energía permitefraccionar un cálculo renal para que luego sea expulsado.

La absorción de la energía cinética en la interfase de diferentesimpedancias acústicas es crucial en la planificación del tratamiento;debe ser adecuada para fragmentar los cálculos pero no los huesos.

Las ondas de choque nunca deben ser enfocadas en cavidadesgaseosas como los pulmones o los intestinos, puesto que laimpedancia acústica del gas es mucho menor que la de los tejidos.Por esta razón, virtualmente toda la energía es reflejada, a consecuenciade un fenómeno llamado rarefacción, puede ocasionar dañoconsiderable a los tejidos de los bordes.

El empleo de la onda de choque en el tratamiento de los cálculosrenales, es lo que sirvió de base para el desarrollo de una nuevatécnica iniciada en Alemania en 1980, llamada Terapia de Onda deChoque Extracorporal (Extracorporeal Shock Wave Therapy - ESWT).

Los investigadores, que estaban tratando de determinar cuálera el tipo de onda de alta presión más adecuado para fraccionarlos cálculos renales, sin dañar los tejidos circundantes, se dieroncuenta que podían obtenerse otros beneficios.

Desde entonces se emplea con éxito para el tratamiento dedesórdenes dolorosos musculo-esqueléticos, como los asociadosa la tendonitis en el hombro, codo, rodilla, tobillo, fascitis plantar,espolones y los dolores crónicos asociados.

El tratamiento EWST no requiere anestesia de ningún tipo,

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puesto que la energía sónica empleada es mucho menor que en eltratamiento de la litiasis.

El mecanismo exacto mediante el cual las ondas de choqueactúan para aliviar dolores crónicos es todavía desconocido, aunqueexisten postulados que intentan hacerlo.

El EWST es un método no invasivo que no produce efectossecundarios. Su empleo se ha extendido al tratamiento de tendonesy ligamentos, a sus calcificaciones y adhesiones, a la artrosis y a sutratamiento doloroso agudo; también se está empleando enmedicina veterinaria, especialmente en el tratamiento de los caballosde carrera.

Existen tres tipos de generadores de ondas de choque: loselectrohidráulicos, los piezoeléctricos y los electromagnéticos.Estos últimos se subdividen en: bobina plana y lente confocalización; y los tecnológicamente más avanzados, con bobinacilíndrica, que está rodeada de una membrana metálica, que alexpandirse transforma la energía aplicada a la bobina en una ondamecánica que se enfoca por medio de una parábola.

El generador produce diferentes niveles de energía y tienecapacidad para poderse enfocar a diferentes profundidades,comprendidas entre 4 y 50 mm.

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Unidades electroquirúrgicasUnidades electroquirúrgicasUnidades electroquirúrgicasUnidades electroquirúrgicasUnidades electroquirúrgicas

CAPÍTULO 10

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNEEEEEn tiempos anteriores al Renacimiento, durante la antigüedad

y la Edad Media, la cirugía se consideraba una rama inferior de lamedicina no muy bien valorada en la sociedad ni por el sectorcientífico, ya que implicaba trabajo manual que tenía cierta semejanzacon la carnicería y la vivisección. Los médicos de la época dejabanesta tarea, considerada degradante, a los mismos que cortabanel cabello. La sociedad de entonces reconocía la profesión debarbero–cirujano.

Entre los más destacados barberos-cirujanos se encontraba elfrancés Ambroise Paré (1519 1590), quien llegó a ser el preferido dela corte de Enrique II de Francia. Se distinguió particularmente porsus aportes a la medicina militar.

Los cirujanos, cosían y desinfectaban las heridas de balas conaceite hirviendo y cauterizaban las arterias, todo sin los efectosbenéficos de la anestesia, desconocida para la época. De modo queel acto quirúrgico se asemejaba a una sesión de las más cruentastorturas.

Paré, logró practicar la cirugía sometiendo al paciente a muchomenos dolor. Observaba las reglas higiénicas, empleaba aceitescalmantes en lugar de hirvientes y ligaba las arterias en lugar de

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Instrumentación Biomédica / Unidades electroquirúrgicas

quemarlas. Por estos hechos, es considerado el precursor de lacirugía racional.

En ese tiempo, los libros científicos se escribían y publicabanen latín, pero como Paré no había recibido una formación clásica,se vio obligado a escribir el resumen de sus hallazgos en francés,razón por la cual, su publicación no fue debidamente valorada.

De Paré a nuestros días, la cirugía recibió considerables aportes,quizás el más valioso fue el empleo de anestésicos. Se suponeque el alcohol fue uno de los primeros, mientras que en Oriente seutilizaba la acupuntura. La química contribuyó con el óxido nitroso,que al ser inhalado suprimía la sensación de dolor. Años después,para provocar la inconsciencia y la supresión del dolor, se emplearonsustancias como el éter dietílico y el cloroformo.

A pesar de que el acto quirúrgico se hacía cada vez más indoloro,continuaba siendo mortal por la infección de las heridas. Losprogresos en el campo de la cirugía antiséptica (de las palabrasgriegas que significan contra la putrefacción), se debenprincipalmente al trabajo de los investigadores del siglo XIX, LouisPasteur y Joseph Lister. El término anestesia, que proviene de lapalabra griega que significa sin sensación, fue empleado por primeravez por el médico norteamericano Oliver W. Holmes.

A medida que se conocía mejor el peligro de la infección, loscirujanos extremaron sus precauciones para evitarla. En algunoscasos, medidas muy simples resultaron de gran utilidad. El cirujanonorteamericano William S. Halsted (1852-1922), introdujo una prácticaque se extendió rápidamente; sugirió el empleo de guantes quirúrgicosde goma, que eran más fáciles de esterilizar que las manos. El cirujanoy autor francés Alexis Carrel (1873–1944) hizo otro aporte, consistenteen una técnica de suturación de los vasos sanguíneos, por lo cual lefue concedido el premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1912.

En los últimos años, se han venido implementando masivamentenuevos sistemas. Las técnicas laparoscópicas muy poco invasivas,aunadas a las electroquirúrgicas han hecho aportes valiosos. Losnuevos productos y métodos que emergen amplían su campo deacción, lo que permite efectuar intervenciones en áreas altamentecongestionadas, prohibidas hace algunos años.

Los procedimientos laparoscópicos más prometedoresresuelven, por ejemplo, el problema del reflujo gastroesofágico ypermiten, entre otras intervenciones, la colocación de injerto de

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puentes coronarios. La incontinencia urinaria es tratada por mediode la suspensión del cuello de la vejiga y la cirugía espinal esempleada para aliviar el dolor lumbar.

LA ELECTROCIRUGÍALA ELECTROCIRUGÍALA ELECTROCIRUGÍALA ELECTROCIRUGÍALA ELECTROCIRUGÍAElectrocirugía es paso de la corriente eléctrica de alta frecuencia

por los tejidos con el fin de crear el efecto quirúrgico deseado.El equipo, consiste básicamente en un generador que conviertela corriente alternada de 60 Hz, en corriente de alta frecuenciaadecuada para el acto quirúrgico.

La primera unidad electroquirúrgica (ESU - Electro Surgigal Unit)fue probada por W.T. Bovie durante la primera guerra mundial enla Universidad de Harvard. Empleó un transmisor de chispasproveniente de una unidad naval de guerra de los Estados Unidos.Se dio cuenta que cuando aplicaba la punta del cable de salida deltransmisor a los tejidos biológicos, éstos eran cortados en ellugar donde la punta los tocaba.

Bovie desarrolló una unidad para que fuera utilizada por el grancirujano norteamericano Harvey Cushing (1869-1939), quien porposeer una capacidad técnica extraordinaria, participó activamenteen su desarrollo. Cushing,además de aportar numerosas eimportantes contribuciones a la neurología clínica, en 1925 empleóla electrocirugía para cortar coagular tejidos.

En los años siguientes, el equipo producido por Bovie fueampliamente mejorado. En su diseño se incorporaroncomponentes de estado sólido. Fue provisto de osciladores condiferentes opciones de modulación de pulsos. Luego se leanexaron sistemas que incluyen las ultimas técnicas deautomatización y microprocesadores en el control de corriente,frecuencia y tiempo.

Como el electrobisturí es empleado en pacientes que están bajoel efecto de la anestesia, y en consecuencia en extremo vulnerables,los nuevos modelos incluyen sistemas automáticos de seguridad.

Cuando se emplea en pacientes que tengan implantadomarcapasos deben tomarse precauciones especiales, puesto quelas interferencias generadas por esta unidad podrían afectar sufuncionamiento.

El principal defecto de la electrocirugía es que no produce cortesrectos y precisos. Las heridas son más propensas a infectarse,

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precisamente porqué en el borde del corte quedan fisuras aúndespués de suturadas.

El electrobisturí tiene ciertas ventajas sobre el bisturíconvencional: los electrodos cortan más rápidamente, el efectocalórico de la corriente y las chispas tienden a cauterizar el tejidoe inhibir el sangramiento, lo que reduce la pérdida de sangre y eltiempo de intervención.

Deben ser empleados con precaución, puesto que la acción decortar produce chispas que puede alterar el funcionamiento de losequipos elécticos cercanos y presentan un riesgo de explosión. Nodeben usarse en sitios donde pueda existir una atmósfera de anestesiainflamable u otros gases, como desinfectantes o gas metano, quepudiera estar presente en el intestino y colon del paciente.

Por esta razón, hasta 1950, su empleo en los quirófanos se violimitado. Luego, con el advenimiento de la anestesia no inflamable,su uso se generalizó considerablemente.

EL ELECTROBISTURÍ BÁSICOEL ELECTROBISTURÍ BÁSICOEL ELECTROBISTURÍ BÁSICOEL ELECTROBISTURÍ BÁSICOEL ELECTROBISTURÍ BÁSICO El electrobisturí mostrado en la figura 10.1, está formado por

un oscilador de radio frecuencia (RF) que opera entre los 300 KHzy 3 MHz. El voltaje entre el electrodo de corte y el de retorno estácomprendido entre 1000 y 10.000 voltios.

El voltaje de ruptura del aire en condiciones normales, es deunos 3 Kv por mm. En consecuencia, cuando el electrodo se acercalo suficiente a la piel se produce chispa. Para 10Kv esa distancia es3,3 mm.

El electrodo de corte es de punta roma, no adecuado para cortartejidos, a menos que estén presentes corrientes de RF. Cuandose mantiene suficientemente alejado de la piel, no hay flujo decorriente ni acción de corte. Al tocarla, la alta densidad de corrientecerca del electrodo hace que las células se vaporicen, con lo cualse “rompen” los tejidos. La ruptura de la estructura tisular esprecisamente la acción de corte buscada.

La densidad de corriente en la cercanía del electrodo de cortees muy alta; decrece rápidamente a medida que se aleja en sucamino hacia el electrodo de retorno, por ello, la acción de cortese produce únicamente en la zona que está en contacto inmediatocon el electrodo.

Si la corriente después de atravesar los tejidos regresa al

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electrodo de retorno, se habla de cirugía monopolar. En ella, la salidadel generador está aislada de tierra, por lo cual se le llama generadorde salida aislada. Las unidades electroquirúrgicas también se diseñanpara ser empleadas con técnicas endoscópicas.

La endoscopia es un procedimiento de diagnóstico mínimamenteinvasivo, que consiste en la introducción de un instrumento ópticoo endoscopio a través de un orificio natural o de una incisiónquirúrgica, con el fin de visualizar y examiar órganos internos,realizarmaniobras terapéuticas o tomar biopsias.

Figura 10.1. El electrobisturí básico

La laparoscopia permite la visualización de la cavidad abdominal,mientras que con la atroscopia se examinan las articulaciones. Enambos casos, se efectúan pequeñas incisiones por donde seintroduce el instrumento. En la laringoscopia, no es necesario hacerincisiones, ya que con la simple introducción del endoscopio por lacavidad bucal se puede examinar la laringe.

La endoscopia practicada con unidades electroquirúrgicas, estásiendo rápidamente adoptada como método clínico, como lodemuestra, por ejemplo, la colecistectomía y la laparoscopiaginecológica.

Aunque estos procedimientos pueden ser más costosos quelas intervenciones convencionales, reúnen enormes ventajas parael paciente, especialmente su pronto retorno a la vida normal.

Las unidades electroquirúrgicas diseñadas para la cirugía generalno deben emplearse en procedimientos endoscópicos.

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En estas intervenciones, puede suceder que una fracción de lacorriente se aparta del circuito electroquirúrgico y sigue un pasoalterno de menor resistencia hacia tierra. A las corrientes que siguenun "camino" no deseado, se las llama corrientes de fuga o parásitas.Son causa de quemaduras localizadas si el paciente toca tierra enun lugar distinto del electrodo de retorno.

CIRCUITO EQUIVALENTECIRCUITO EQUIVALENTECIRCUITO EQUIVALENTECIRCUITO EQUIVALENTECIRCUITO EQUIVALENTEEl circuito equivalente de la unidad electroquirúrgica en

operación se muestra en la figura 10.2.

Figura.10.2. Circuito equivalente del E.S.U.

Ri es del orden de los 400 ohmios. Representa la resistenciainterna del generador y de los conductores.

Re, es la resistencia del electrodo activo. Su valor dependedel tipo y de la posición relativa respecto al tejido. En posiciónde corte está comprendida entre los 100 y 1000 ohmios y es uncircuito abierto cuando el electrodo de corte se encuentrasuficientemente alejado.

La potencia de radio frecuencia que se disipa en el tejido en lacercanía del electrodo hace que se produzca corte o coagulación.Esta acción depende fundamentalmente del valor de Re.

Rb, es la resistencia que presenta el cuerpo del paciente al pasode la corriente de alta frecuencia. Su valor es del orden de los 50ohmios.

Rr, es la resistencia que se establece entre la piel y el electrodode retorno. Su valor, en condiciones optimas, no debe exceder los10 ohmios. Un valor excesivo de Rr hace que en el electrodo deretorno se produzca un calentamiento inaceptable o quemadurassuperficiales. Es importante mantener este valor lo más bajo posible.

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EL ELECTRODO ACTIVOEL ELECTRODO ACTIVOEL ELECTRODO ACTIVOEL ELECTRODO ACTIVOEL ELECTRODO ACTIVOEn electrocirugía se llaman electrodos, a los dispositivos

conductores que transmiten o reciben la corriente electroquirúrgica.El electrodo activo es aquel que concentra la corriente en el sitioquirúrgico.

Los diferentes fabricantes ofrecen al mercado una variedad deelectrodos de uso general o especializados de diferentes formas ytamaño, que el cirujano selecciona basándose en el tipo deintervención que va a realizar.

Los electrodos de uso general, empleados en operacionesextensas, tienen aproximadamente 1 mm de espesor por 10 mmde ancho. Cuando el electrodo se emplea en modo de corte (cutmode), se alimenta con corriente sinusoidal.

En la mayoría de los casos es importante emplear unidadesespecializadas. Por ejemplo, en microcirugía la poca potenciaaplicada a los electrodos, que pueden ser tan delgados como uncabello, debe permitir al cirujano controlar la corriente para obtenerlos mejores resultados.

La forma de onda de la corriente aplicada a diferentes electrodoses la indicada en la figura 10.3. Si el electrodo se mantiene a cortadistancia de la piel, se produce descarga eléctrica únicamente enaquel lugar que está más cerca del tejido. En ese punto, la intensidades máxima y produce un corte limitado y bien definido.

Los electrodos pueden también ser empleados para producircoagulación (coag mode). En ellos, se genera una descarga difusacuyo efecto es cauterizar el tejido y coagular la sangre. En estecaso, el voltaje aplicado es sinusoidal interrumpido, con lo quese logra una chispa menos intensa, más difusa, que abarca unaregión más amplia.

El electrodo cauterizador es menos puntiagudo que el electrodode corte, aunque a veces el mismo cumple con ambas funciones.Otro electrodo, el hemostático, tiene por función apresar y sujetarel tejido, especialmente los vasos sangrantes.

La capacidad de una forma de onda para producir hemostasia sincortar los tejidos se la llama factor de cresta (Crest Factor). Un factoralto es indicativo de mejor coagulación y menos daños tisulares.

La electrocirugía bipolar se efectúa mediante el empleo de unelectrodo bipolar, como el mostrado en la figura 10.3. La corrientede alta frecuencia fluye de un electrodo al otro, a través del tejido

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a disecar, sin hacerlo por otras partes del cuerpo. En consecuencia,el electrodo de retorno no es necesario. Usualmente se persiguela disecación, que es el efecto electroquirúrgico donde sedeshidratan los tejidos y se desnaturalizan las proteínas.

Figura10.3. Tipos de electrodos

MONITOREO DEL ELECTRODO ACTIVOMONITOREO DEL ELECTRODO ACTIVOMONITOREO DEL ELECTRODO ACTIVOMONITOREO DEL ELECTRODO ACTIVOMONITOREO DEL ELECTRODO ACTIVOEs un sistema de seguridad utilizado en aplicaciones

laparoscópicas. El electrodo activo debe tener un mangofuertemente aislado y recubierto por una cánula, en forma similar ala mostrada en la figura 10.4.

El objetivo del aislamiento es hacer que la corriente alcance lostejidos únicamente en el sitio de la operación y evita las fugas através del mango hacia el paciente. Sin embargo, aunque elaislamiento sea excelente, siempre se producen pequeñas fugasen su superficie, debidas al ambiente húmedo en que se encuentra.Las corrientes de fuga pueden aumentar debido a fallas en elaislamiento de la cánula o a la excesiva capacitancia distribuida.

El monitoreo del electrodo activo es un sistema que midecontinuamente la corriente de fuga proveniente del mango y quenecesariamente fluye hacia el generador.

El monitoreo se efectúa por medio de una pantalla conductoracoaxial que lo envuelve y “recoge” las corrientes parásitas que"regresan" al generador. Si el nivel de estas corrientes alcanza

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valores peligrosos, el monitor del electrodo interrumpe elsuministro de energía.

Figura 10.4. Principio de la endoscopia electroquirúrgica

EL ELECTRODO DE RETORNOEL ELECTRODO DE RETORNOEL ELECTRODO DE RETORNOEL ELECTRODO DE RETORNOEL ELECTRODO DE RETORNOEl electrodo de retorno “recoge” la corriente de RF que se utiliza

en el acto quirúrgico y la regresa al generador. Para evitar quedicha corriente origine calor muy localizado que pudiera dañarlos tejidos, se distribuye sobre una superficie mucho mayor quela del electrodo activo.

El calor generado en los tejidos es directamente proporcionala la densidad de corriente. Se entiende por densidad de corriente,a la cantidad que fluye por unidad de área perpendicular a sudirección de propagación y se expresa en Amp/cm

2 o en unidades

similares.A fin de evitar quemaduras en el paciente, el electrodo de

retorno debe ser colocado siguiendo instrucciones precisas quetienden a reducir el valor de Rr (ver fig.10.2). Un aumento de suvalor equivale a un aumento de la potencia disipada en la interfacepiel-electrodo.

Para mantener Rr dentro de límites aceptables, el electrodo deretorno debe colocarse bajo una masa muscular grande y afeitada,como la nalga, el bíceps o muslo. El peso del cuerpo del pacientedebe presionar y mantenerlo inmóvil. No debe colocarse sobreheridas, prominencias óseas, áreas sin afeitar, o donde existanimplantes metálicos.

300


Para asegurar un buen contacto, entre el electrodo de retornoy la piel debe colocarse abundante gel. Si durante el acto quirúrgicose mueve el paciente, se debe cuidar que el contacto siga siendode buena calidad.

MONITOREO DEL ELECTRODO DE RETORNOMONITOREO DEL ELECTRODO DE RETORNOMONITOREO DEL ELECTRODO DE RETORNOMONITOREO DEL ELECTRODO DE RETORNOMONITOREO DEL ELECTRODO DE RETORNOAlgunos fabricantes incluyen un sistema de seguridad que detecta

continuamente el valor de la resistencia entre el paciente y elelectrodo de retorno; si es alta, debido seguramente a un pobrecontacto del electrodo, se activa el sistema que interrumpe elsuministro de corriente y se emite una alarma sonora.

El método ha mostrado ser eficiente y seguro en millones deprocedimientos quirúrgicos. Está diseñado para interrumpir lacorriente antes que se produzcan las quemaduras en el sitio dondeel contacto es pobre.

En los equipos que incluyen el monitoreo, el electrodo deretorno es diferente. Puede identificarse fácilmente por tener dosáreas separadas y un conector especial con más de un contacto. Elcircuito de detección se muestra en la figura 10.5.

Figura10.5. Circuito detector de calidad del electrodo de tierra.

DIAGRAMA EN BLOQUESDIAGRAMA EN BLOQUESDIAGRAMA EN BLOQUESDIAGRAMA EN BLOQUESDIAGRAMA EN BLOQUESLa figura 10.6, muestra el diagrama en bloques de una unidad

electroquirúrgica. La potencia de salida puede ajustarse entre unos80 y 600 w sobre una carga de 500 ohmios. El voltaje en circuito

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abierto puede variar entre 1000 y 10.000 voltios y radio frecuenciaentre los 500 y 3000KHz. La potencia de salida es seleccionadaen una de las cuatro modalidades disponibles, cortar, coagular, mezcla1 y mezcla 2, de acuerdo al criterio del cirujano.

Para cortar (Cut mode o Pure cut), la potencia entregada alelectrodo activo debe ser suficiente para evaporar las células. Seobtienen mejores resultados con ondas continuas de baja tensión,debiéndose emplear preferentemente la mayor frecuenciadisponible, con lo cual se obtiene un mejor corte.

El efecto de coagulación se genera cuando se calienta el tejido.El calor produce deshidratación profunda y cauterización. Paraobtener buenos resultados se emplea menos que 1/3 de la potenciadisponible; es decir, menos de 200 vatios. La potencia a disipardepende del área a coagular. Es aconsejable utilizar la mínimafrecuencia disponible. Se ha determinado que los mejoresresultados se obtienen con alta tensión intermitente, optimizadospara la electrocoagulación.

Cuando se requiere cortar los tejidos sin que se produzca unexcesivo sangramiento, se emplea los modos de operación Mez 1o Mez 2 (Blend 1 o Blend 2). Con ello, la energía disipada en lostejidos es tal que se produce corte y coagulación simultáneamente.

En la operación Mez 1 o Mez 2, la potencia disipada en el electrodoactivo es ½ ó ¾ la potencia disponible. Por medio de estos dosopciones, el cirujano puede regular la velocidad de coagulación.

DIAGRAMA DE LAS UNIDADESDIAGRAMA DE LAS UNIDADESDIAGRAMA DE LAS UNIDADESDIAGRAMA DE LAS UNIDADESDIAGRAMA DE LAS UNIDADESEn el mercado se encuentran diferentes tipos de unidades

electroquirúrgicas, algunas de uso general y otras diseñadas paraaplicaciones específicas. Las hay de frecuencia fija y variable, depotencia fija y variable, y con diferentes tipos de electrodos. Elprincipio de funcionamiento y los circuitos de dos modelos sedescriben a continuación:

SPARK GAP (SPARK GAP (SPARK GAP (SPARK GAP (SPARK GAP (RANURA DE CHISPASRANURA DE CHISPASRANURA DE CHISPASRANURA DE CHISPASRANURA DE CHISPAS)))))La unidad electroquirúrgica tipo spark gap fue utilizada hasta

que se desarrollaron las de tubos de vacío. A pesar de que estatecnología, interesante desde el punto de vista histórico, fueempleada hace muchos años, todavía se consiguen equiposbasados en este principio, especialmente en áreas rurales.

Esta unidad reveló ser de mejor calidad en lo referente al corte

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y a la coagulación, que las unidades construidas posteriormentecon tubos de vacío. Es robusta y confiable, y todavía llena lasnecesidades de los cirujanos en sus varias versiones de potenciay aplicaciones. La figura 10.7 muestra el circuito básico.

Figura 10.6. Forma de ondas en el electrodo activo

El transformador elevador T2, incrementa la tensión de líneaentre 1500 y 2000 voltios. Entre sus terminales se conectan enserie dos pares de electrodos de carbón, que forman las ranurasdonde se producen las chispas. Se emplean dos pares de electrodospara asegurar el funcionamiento del equipo, aun cuando uno deellos entra en corto circuito.

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Figura 10.7. Diagrama de una unidad tipo “Spark gap”

La chispa en los electrodos, en combinación con los devanadosde los transformadores T2 y T3 y los condensadores C1 y C2,forman un circuito resonante de oscilación amortiguada. Estasoscilaciones, son acopladas capacitativamente a los electrodos pormedio C4 y C5.

Debido a las relativas altas frecuencias utilizadas, loscondensadores de acoplamiento C4 y C5, son de pequeñacapacidad, del orden de los 0,005 uF, fabricados con aislante deprimera calidad como la mica. La calidad del dieléctrico asegura queal paciente no se transmitan posibles corrientes continuas de fugao de baja frecuencia.

Estos equipo, al generar trenes de ondas de oscilaciónamortiguada, aparte de su frecuencia fundamental, contienen unaamplia gama de armónicos que producen ruido sobre gran parte delespectro de frecuencia. Por tal motivo, deben tomarse las medidaspreventivas para que no interfieran con el resto de los equiposeléctricos colocados en su cercanía.

El cirujano, al actuar del interruptor de pedal, hace que la bobinadel relé se energize y cierre el contacto que suministra energía altransformador elevador T2. El transformador de aislamientoT1 esde baja tensión, es utilizado para evitar que el cirujano y el pacienteestén expuestos alta tensión.

Algunas unidades electroquirúrgicas, especialmente las de bajapotencia, realizan la misma función por medio de un interruptorcolocado directamente sobre el electrodo activo, de manera quepueda ser activado manualmente por el cirujano.

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LA UNIDAD DE ESTADO SÓLIDOLA UNIDAD DE ESTADO SÓLIDOLA UNIDAD DE ESTADO SÓLIDOLA UNIDAD DE ESTADO SÓLIDOLA UNIDAD DE ESTADO SÓLIDOLas modernas unidades electroquirúrgicas de estado sólido, se

desarrollaron a partir del advenimiento de la fabricación detransistores de potencia de alta frecuencia. Constan esencialmentede un circuito oscilador de onda sinusoidal y de un amplificador depotencia.

El principio de funcionamiento del oscilador se ilustra por mediode la figura 10.8.

Figura 10.8. Principio de funcionamiento del oscilador

La ganancia de voltaje = Av = ..........(10.1)

Pero Vo = AV ...........(10.2) y V = Vi + βVo

donde β representa la fracción realimentada de Vo

Por lo tanto: Vi = V - βVo ............(10.3)

Reemplazando la ecuación (10.2) y (10.3) en la (10.1) se obtiene:

Av = .........(10.4)

Si la ecuación (10.4) se divide por V y se reemplaza porA, se obtiene:

Av = .......(10.5)

En la ecuación 10.5 si βA = 1 ........(10.6)

la ganancia Av es infinita. Lo que indica que el más insignificanteruido en la entrada hace que el sistema comience a oscilar y semantenga en ese estado, generándose ondas sinusoidales.

AvV – βVo

VoVi

VoV

A1 – βA

305

Alvaro Tucci R.

En el diagrama del oscilador de la figura 10.8, los bloques A y βestán formados por circuitos cuyo comportamiento depende de lafrecuencia. Su valor puede calcularse a partir de las ecuación 10.6.Si la condición βA = 1 es verdadera para una sola frecuencia, elsistema generará una señal sinusoidal pura.

Tómese como ejemplo la configuración mostrada en la figura10.9. El circuito marcado con la elipse A, determina la ganancia delamplificador. El marcado con la β no es más que un divisor de tensiónque hace que una fracción de Vo sea realimentada en la entrada noinversora del amplificador.

Por lo tanto se puede afirmar que: V1 = βVo ..........(10.7)

Considérese el divisor de tensión formado por R1 y R2,

V2 = V0 ........... (10.8)

De la ecuación 10.7 se obtiene:

V1 = βVo = Vo ............(10.9)

Donde:

β = , Z1 = R + , Z2 =

Reemplazando el valor de Z1 y Z2 en 10.9 y simplificando seobtiene:

V1 = V0 .......(10.10)

1j ω C

R2

R1 + R2

Z1

Z1 + Z2

Z1

Z1 + Z2

R +1

jωC

RjωC

R2– +

3RjωC

21ωC( )

RjωC

306


Figura. 10.9. Un circuito oscilador de onda sinusoidal

De la condición de oscilación βA = 1, se observa que esteproducto es un número real, por lo tanto b también lo es. Para queesto suceda en la ecuación 10.10 debe cumplirse que:

ωC = ...........(10.11)

Si se sustituye la ecuación 10.11 en la ecuación 10.10 seobtiene:

Puesto que a la entrada del amplificador operacional V1 = V2, laecuación 10.8 se reduce a:

..........(10.12)

La conclusión que se deriva del análisis anterior es que los

valores de R1 y R2 , además de satisfacer la ecuación 10.12, debencumplir con los requisitos del amplificador operacional publicadospor el fabricante. Para la frecuencia de oscilación deseada, los valores

de R y C se obtienen de la ecuación 10.11.

R2

R1 + R213=

1R

=V1

Vo

13

307

Alvaro Tucci R.

Ejemplo 10.1Ejemplo 10.1Ejemplo 10.1Ejemplo 10.1Ejemplo 10.1Diseñar un oscilador de 1MHz con la configuración mostrada enla figura 10.9.

Solución:Solución:Solución:Solución:Solución:Se asume R = 10KohmiosDe la ecuación 10.11 se obtiene:

C = = = 15,9pf

Para satisfacer la ecuación 10.12 se selecciona R1 = 20Kohmios y R2 = 10Kohmios

EL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEL AMPLIFICADOR DE POTENCIAEl amplificador de potencia tiene la finalidad de suministrar algunos

centenares de vatios al electrodo activo. La potencia a suministrares manejada por transistores de alta potencia y alta frecuencia, cuyatemperatura debe ser mantenida dentro de los límites permitidospor el fabricante. Los transistores, montados sobre disipadores decalor, son enfriados por circulación de aire forzado.

Figura 10.10. El amplificador de potencia

12πfR

12π10

6 10

4

308


Para resolver el problema de disipación de calor en equipos demediana y alta potencia, algunos fabricantes especifican el máximotiempo de corte y el mínimo de “reposo”, así evitan exceder los250º

C que es la temperatura máxima permitida para los transistores.

Un ejemplo de un amplificador de potencia es el mostrado en lafigura 10.10.

El amplificador-driver suministra la señal sinusoidal a la base deltransistor de potencia. La corriente de colector Ic, que circula porel primario del transformador, induce tensión en el secundario.

En el circuito,Re es la resistencia del electrodo activo.Rb es la resistencia de los tejidos.Rr es la resistencia del electrodo de retorno.

Una representación idealizada de las características V-I de untransistor de potencia se muestra en la figura 10.11.

Cuando Vb = 0, el transistor no conduce y la tensión Vce Vbb.Si la tensión Vb es mayor que 0,7 voltios, el transistor comienza

a conducir.Cuando Vb alcanza la tensión máxima,Vec se aproxima a cero eIc alcanza su valor máximo.Si el transistor conduce su máxima corriente, la tensión colector-emisor se acerca a cero.Si se analiza la configuración del circuito de la figura 10.10 seobserva que:

Vbb = Icmax ( Req + Rem ) .............(10.13)

donde Rem es la resistencia de emisor

y Req = Rl ...........(10.14)

La resistencia de carga está formada por la suma de la resistenciadel electrodo activo Re, los tejidos Rb y el electrodo de retorno Rr

Así: Rl = Re + Rb + Rr

En un transistor se cumple que Ic = β x Ib ........(10.15)

N1

N2( )2

309

Alvaro Tucci R.

Si se reemplaza la ecuación 10.15 en la ecuación 10.13 se tiene:

Req + Rem = ..........(10.16)

A fin de obtener máxima excursión en el voltaje de salida enfunción de la corriente de base máxima de entrada Ibmax, laecuación 10.16 proporciona el medio para seleccionar los valorescorrectos de las resistencias.

Usualmente el voltaje de salida Vb del amplificador-driver esconocido. Si se aplica la ley de las mallas en el circuito de entradase obtiene:

Vbmax = Vbe + β Ibmax Rem ............(10.17)

Si se desprecia el voltaje Vbe por ser muy pequeño,

Rem = ............(10.18)

Si se conoce el valor b del transistor y el voltaje de base máximoaplicado Vbmax para una máxima excursión de salida, la ecuación10.16 permite calcular el valor de Rem.

Figura 10.11. Curvas características y recta de carga del transistor de potencia

Vbb

β Ibmax

Vbmax

β Ibmax

310


Ejemplo 10.2Ejemplo 10.2Ejemplo 10.2Ejemplo 10.2Ejemplo 10.2Con referencia a la configuración de la figura 10.10, se asume queel amplificador-driver tiene impedancia de salida idealmente igual acero ohmios, y suministra 20 voltios pico a pico y una corrientemáxima de 0,5 Amp.Si el transistor de potencia con b = 20 está alimentado con unatensión continua de 200 voltios y suministra corriente a una cargade 500 ohmios, calcular el valor de la resistencia de emisor y larelación de transformación para máxima excursión.

Solución:Solución:Solución:Solución:Solución:

Req + Rem = = = 20 ohmios

Rem = = = 2 ohmios

Por lo tanto, la resistencia equivalente es: Req=20 – 2 = 18 ohmios

Ejempo 10.3Ejempo 10.3Ejempo 10.3Ejempo 10.3Ejempo 10.3Un amplificador, como el mostrado en la figura 10.10, suministra 30vatios a la interface electrodo activo-tejido cuya resistencia es de5000 ohmios. La relación de transformación es 0,06667. Eltransistor de potencia cuya β = 70 y Rem = 2 ohmios, es alimentadocon una tensión continua de 200 voltios.Calcular la tensión máxima y la corriente máxima que el amplificador-driver tiene que suministrar a la base del transistor de potencia.Solución:Solución:Solución:Solución:Solución:

Req = R1 = 0,066672 x 5000 = 22 ohmios

Icmax = = = 8,33Amp

Vbb

β Ibmax

20020 x 0,5

Vbmax

β Ibmax

2020 x 0,5

=Req

R1

18500= = 0,1897

N1

N2

N1

N2( ) 2

20022 + 2

Vbb

Req + Rem

311

Alvaro Tucci R.

Ibmax = = 0,12Amp

Vbmax = Rem β Ibmax = 2 x 70 x 0,12 = 16,8voltios

Para algunos amplificadores-driver la corriente de 0,12 Amppuede ser excesiva. En estos casos se puede emplear laconfiguración Darlington.

Ejemplo 10.4Ejemplo 10.4Ejemplo 10.4Ejemplo 10.4Ejemplo 10.4Un oscilador de onda sinusoidal cuya configuración es la mostradaen la figura 10.9 tiene R1=2 Mohmios y C=0,02 uF.Calcular R y R2 para que oscile a 700 KHzCalcular la frecuencia de resonancia si R=200 ohmios y C=0,002 uF


R = = = 11,37ohmios

= por lo tanto R2 = = = 1Mohmios

La frecuencia de resonancia, para R = 200ohmios y C = 0,002 uF,

se determina por medio de la ecuación ωC = , por lo tanto:

f = = = 398KHz

Ejemplo 10.5Ejemplo 10.5Ejemplo 10.5Ejemplo 10.5Ejemplo 10.5Dada la configuración de la figura 10.10, el amplificador-driver manejaun transistor de potencia cuya β =40 con un voltaje pico a pico de10 voltios y una corriente de 1mA. Calcular Rem para máximaexcursión y Req cuando Vbb=100 voltios.

1ωC

13

R1

222

12π 700 x 10

3 x 0,02.10

-6

R2

R1+R2

8,3370

1R

12πRC

12π 200 x 0,002 x 10

-6

312



Rem = = = 250 ohmios

Req + Rem = = = 2500 ohmios

Por lo tanto: Req = 2500 - 250 = 2250 ohmios

CONSIDERACIONES OPERACIONALESCONSIDERACIONES OPERACIONALESCONSIDERACIONES OPERACIONALESCONSIDERACIONES OPERACIONALESCONSIDERACIONES OPERACIONALESEl empleo racional de las unidades electroquirúrgicas implica

ciertos conocimientos relacionados con la potencia utilizada, elvoltaje de operación, la frecuencia y el tipo de onda y si se empleacirugía monopolar o bipolar.

EL MEDIDOR DE POTENCIAEL MEDIDOR DE POTENCIAEL MEDIDOR DE POTENCIAEL MEDIDOR DE POTENCIAEL MEDIDOR DE POTENCIALa incorporación de medidores de potencia o vatímetros en

equipos de electrocirugía es práctica común. Mediante su lectura,el cirujano encuentra un valioso aliado que le permite estimar lapotencia que está utilizando durante el acto quirúrgico. Sin embargo,su incorporación no evita el mal empleo del instrumento. Bastarecordar que el vatímetro indica el valor del voltaje sobre losterminales de salida del aparato multiplicado por la corriente quecircula por los electrodos. Una potencia de 40 vatios podríaobtenerse por una de las siguientes combinaciones:

El vatímetro indica la potencia suministrada por el generador alterminal de salida para una impedancia de carga determinada. Siel cirujano está convencido que necesita una potencia de 40vatios, podría optar por cualquiera opciones anteriores. Podríautilizar voltajes insuficientes o voltajes excesivamente altos. Los

20 v x 2 A40 v x 1 A2000 v x 0,02 A4000 v x 0,01 A

= 40 vatios = 40 vatios = 40 vatios = 40 vatios

Vb

βxIb10v

40x103

Vbb

βxIb

100

40x103

313

Alvaro Tucci R.

voltajes insuficientes no producen el efecto quirúrgico buscadoy los voltajes elevados, particularmente aplicados en unidadesbipolares, podrían ocasionar situaciones de riesgo.

Una tensión excesiva en los electrodos puede producirdescargas sobre sus aislantes. Este arco, es particularmentedestructivo en el medio endoscópico.

Cuando se conectan los electrodos los por medio conductoresde RF ocurren algunas modificaciones; se introducen en el circuitocapacitancias cuyo valor depende principalmente de la longitud,diámetro y configuración del conductor, de las condiciones delmedio quirúrgico y del tipo de electrobisturí empleado. Las cánulaslargas, aisladas, empleadas en cirugía endoscópica, crean unacapacidad adicional apreciable. La capacidad distribuida hace queparte de la potencia, que es indicada por el vatimetro, no es disipadaen el electrodo de corte.

Los vatímetros son poco precisos, particularmente cuando seopera a baja potencia, como lo son las microcirugías oftálmicas.

Considérese, por ejemplo, una microintervención donde serequieren 10 vatios. El manual de operación especifica que lapotencia indicada por el vatímetro tiene una precisión de +/– 10%o +/– 5 vatios, cualesquiera que sea mayor. La potencia realsuministrada podría estar comprendida entre 5 y 15 vatios. Elerror es de +/– 50% y podría ser mayor para potencias menores.

De las consideraciones anteriores se desprende que la lecturadel vatímetro nunca debe ser usada como único criterio paraseleccionar la potencia de salida.

VOLTAJE DE OPERACIÓNVOLTAJE DE OPERACIÓNVOLTAJE DE OPERACIÓNVOLTAJE DE OPERACIÓNVOLTAJE DE OPERACIÓNEl voltaje de operación determina el comportamiento del

electrodo de corte. Una elevada tensión puede causar descargasindeseables, especialmente en intervenciones laparoscópicas. Portal motivo, en los equipos destinados a estas aplicaciones, se limitala potencia a 100 vatios y la tensión a 1.200 voltios. El voltaje,también determina la temperatura a la cual se efectúa la coagulación.

La corriente modulada de coagulación o de mezcla (blended),debido a que deben utilizar un mayor voltaje, generan un arco quetiende a carbonizar de los tejidos. En cambio, las corrientes nomoduladas, si usadas con electrodos de gran superficie, puedencortar y coagular por contacto, lo cual se manifiesta como ladeshidratación de los tejidos.

314


FRECUENCIA DE OPERACIÓNFRECUENCIA DE OPERACIÓNFRECUENCIA DE OPERACIÓNFRECUENCIA DE OPERACIÓNFRECUENCIA DE OPERACIÓNLas unidades electroquirúrgicas operan en el rango de

frecuencias comprendido entre 300 KHz y los 3MHz. Para lascercanas a los 3 MHz, las capacidades distribuidas son las mayoresresponsables de las pérdidas de potencia en los cables, aislantesy cánulas. Por lo tanto, la potencia disponible en el electrodo decorte es menor. Parte importante de la corriente es desviada atierra por las capacidades distribuidas, por lo que la lectura delvatímetro es aún menos confiable.

FORMA DE ONDAFORMA DE ONDAFORMA DE ONDAFORMA DE ONDAFORMA DE ONDALa forma de onda de la corriente aplicada al electrodo activo

determina si se produce corte, coagulación o ambas accionessimultáneas. Es un concepto errado asumir que todas lascoagulaciones deban hacerse con la corriente de coagulación otodos los cortes con corrientes de corte.

En los procedimientos endoscópicos, la coagulación deberealizarse con baja tension y corriente no modulada, utilizandopreferentemente electrodos de mayor superficie y tensiones bajas.

Los electrodos especialmente diseñados para producircoagulación, como por ejemplo los unipolares tipo espátula, sonmás seguros, efectivos y ocasionan resultados reproducible.

ELECTROCIRUGÍA MONOPOLAR Y BIPOLARELECTROCIRUGÍA MONOPOLAR Y BIPOLARELECTROCIRUGÍA MONOPOLAR Y BIPOLARELECTROCIRUGÍA MONOPOLAR Y BIPOLARELECTROCIRUGÍA MONOPOLAR Y BIPOLARLa mayoría de las lesiones causadas por procedimientos

quirúrgicos laparoscópicos provienen de la electrocirugíamonopolar. La cirugía bipolar ha resultado ser más confiable ysegura. En ella, la corriente circula de un electrodo a otro "bajo lavista" del cirujano. Las posibles lesiones producidas por la cirugíabipolar son menos destructivas y más confinadas, por lo tanto debeser usada preferentemente en áreas anatómicas "congestionadas".

Después de las operaciones laparoscópicas, una pequeñaproporción de pacientes puede sufrir lesiones causadas porquemaduras diatérmicas.

Durante las operaciones laparoscópicas, cuando se empleanlatécnica monopolar, pueden ocurrir quemaduras fuera del campovisual del cirujano, debido a las corrientes de fuga por los aislanteso al acoplamiento capacitivo.

315

Alvaro Tucci R.

Las principales precauciones a tomar son:

• El empleo técnicas bipolares y cánulas muy bien aisladas.• Es recomendable usar forceps de coagulación bipolares (Kleppinger forceps), puesto que con ellas se reduce el riesgo de hemostasis por efecto de las corriente de fuga capacitiva.

EFECTOS DE LA RADIO FRECUENCIAEFECTOS DE LA RADIO FRECUENCIAEFECTOS DE LA RADIO FRECUENCIAEFECTOS DE LA RADIO FRECUENCIAEFECTOS DE LA RADIO FRECUENCIALos efectos biológicos de la corriente alternada dependen en

gran parte de su frecuencia. Las bajas frecuencias, como por ejemplolas de 60 Hz, producen contracción muscular y fibrilación cardíaca.Frecuencias mayores, en el rango de algunos KHz no producenestos efectos. En consecuencia, como las unidadeselectroquirúrgicas operan entre 100KHz y 3MHz,no se producencontracciones ni fibrilación.

Sin embargo, no deben ignorarse los efectos nocivos de lacorriente, particularmente si son intensas y prolongadas, enpacientes bajo el efecto de la anestesia,

Cuando fluyen a través de las células causan su evaporación, loque equivale a la ruptura de las estructuras tisulares, o sea un corte.La evaporación se produce en aquellos lugares donde ladensidad de corriente es alta, particularmente en la cercanía delos electrodos.

En los materiales conductores de electricidad, a medida quela frecuencia aumenta la corriente tiende a fluir cerca de susuperficie. A este fenómeno se la llama efecto pelicular (Skin effect).En los seres vivos, el efecto pelicular no se manifiesta, por elcontrario se observa que la corriente de alta frecuencia fluyepreferentemente por sección central del cuerpo.

Cabe resaltar que la electrocirugía causa más lesiones quecualquier otro dispositivo eléctrico utilizado en el quirófano. Lamayor parte de los accidentes se deben a errores de manipulación.De aquí la importancia de conocer claramente el funcionamientode estos equipos, así como todas las medidas tendientes a prevenirlas complicaciones derivadas de su mal uso.

317

Alvaro Tucci R.

Equipos de cirugía láserEquipos de cirugía láserEquipos de cirugía láserEquipos de cirugía láserEquipos de cirugía láser

CAPÍTULO 11

DISPOSITIVOS MÁSER Y LÁSERDISPOSITIVOS MÁSER Y LÁSERDISPOSITIVOS MÁSER Y LÁSERDISPOSITIVOS MÁSER Y LÁSERDISPOSITIVOS MÁSER Y LÁSERTTTTTal vez, la novedad más fascinante entre todas las

investigaciones recientes se deba al estudio de la molécula deamoníaco (NH3). Sus tres átomos de hidrógeno están dispuestoscomo si ocuparan los vértices de un triángulo equilátero, mientrasque el átomo de nitrógeno ocupa el centro del triángulo,equidistante de los átomos de hidrógeno.

La molécula de amoníaco en condiciones adecuadas tiene lapropiedad de vibrar. El átomo de nitrógeno oscila con respecto alplano del triángulo; lo “atraviesa” en un sentido y después en elsentido opuesto y prosigue indefinidamente con estemovimiento. En verdad, la molécula de amoníaco vibra a sufrecuencia natural de oscilación de 24 GHz, lo cual correspondea una longitud de onda de 1,25 cm; en la región de lasmicroondas. El periodo de estas oscilaciones en sumamenteconstante, mucho más que el período de cualquier otrodispositivo creado por el ingenio humano y más preciso que elmovimiento de los cuerpos celestes.

En el curso de sus vibraciones, la molécula libera radiaciónelectromagnética a la misma frecuencia de 24 GHz. Para observareste hecho desde otro ángulo, basta imaginar que la molécula deamoníaco puede ocupar uno de los dos niveles energéticos cuya

318

Instrumentación Biomédica / Equipos de cirugía láser

diferencia de energía es la de un fotón de 1,25 cm de longitud deonda. Si la molécula desciende de nivel energético emitirá un fotónde esa energía. Por otra parte, si una molécula en el nivel energéticoinferior absorbe un fotón semejante se elevará al nivel energéticosuperior. El nivel energético superior lo puede alcanzar si se lesuministra energía en forma de calor, electricidad o se exponen aun débil rayo de microondas de la misma frecuencia.

Pero, ¿qué ocurre cuando una molécula está en el nivel superiory se expone a fotones semejantes?

En 1917, el físico Albert Einstein (1879 – 1955), formuló la teoríade que si un fotón con ciertas características incide en una molécula,ésta lo absorbe y su nivel de energía aumenta. Pero si un fotónincide en una molécula que ya posee un alto nivel energético, elfotón incidente continua con su misma trayectoria y energía, mientrasque el átomo regresa a su nivel energético inferior y emite un fotón,exactamente en la misma dirección del fotón incidente y con la mismalongitud de onda. Luego habrá dos fotones iguales donde existíauno. Esta teoría fue confirmada experimentalmente en 1924.

Si en un momento dado se pudieran colocar todas o casi todaslas moléculas en el nivel energético superior y este conjunto seexpone a la radiación de microondas, entonces predomina lageneración de los dobles fotones y ciertamente se producirá unacontecimiento interesante.

La radiación entrante de microondas proporciona los fotonesnecesarios que inducen a las moléculas de amoníaco a emitir unsegundo fotón. Como consecuencia de esta interacción, los dosfotones inciden en otras dos moléculas de alto nivel energéticoproduciendo cuatro fotones, y así sucesivamente.

Por medio de este mecanismo, en un tiempo muy corto segeneraran una gran cantidad de fotones, todos con la mismalongitud de onda y todos moviéndose en la misma dirección.

El físico norteamericano Charles Hard Townes (n.1915) sepreguntó si podría hacer uso de ese principio para producir un rayode microondas de gran intensidad. En 1953 consiguió la forma deaislar las moléculas de amoníaco en el nivel energético superior ysometerlas al estímulo de fotones de energía apropiada. Cuandoentraban unos cuantos fotones se desataba una verdadera avalancha.

El físico había conseguido la forma de amplificarconsiderablemente la radiación, por lo que bautizó su dispositivo

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Alvaro Tucci R.

con el nombre de máser, palabra compuesta por las iniciales de laspalabras inglesas: Microwave Amplification by Stimulated Emission ofRadiation.

Dos físicos soviéticos, Alexander Mijáilovich Prójorov (n. 1916)y Nikoláis Yennediéievich Basov (n. 1922), establecieron casi almismo tiempo que Townes las bases teóricas del máser. Los trescompartieron el premio Nobel de física en 1964. Pronto se crearonlos másers implementados con sólidos.

Los primeros másers, tanto gaseosos como sólidos, trabajabanen forma intermitente. Era preciso colocar primero los átomos alnivel energético superior para luego estimularlos.

Para salvar esta dificultad, el físico holandés – estadounidenseNicolás Bloembergen, decidió emplear un material cuyos átomospueden tener electrones a tres niveles energéticos; inferior,intermedio y superior. Primero, se inducen los electrones a "subir"al nivel energético superior; una vez allí, dos estímulos adecuadoslos hacen "descender" primero al nivel intermedio y luego al inferior.

Para el estímulo se requieren dos fotones de diferente energía.En este caso, el "ascenso" al nivel superior y la emisión pueden sersimultáneas y sin interferencia entre ambos procesos, así se evita laintermitencia.

El máser fue un desarrollo tecnológico de gran éxito. Entre otrasaplicaciones fue utilizado para amplificar las señales de radio y comodetector ultrasensible de señales radioeléctricas provenientes delespacio exterior. En 1957, Townes no satisfecho con estasaplicaciones, siguió desarrollando su descubrimiento; llegó a laconclusión que éste debería trabajar igualmente bien para cualquierlongitud de onda, incluida la luz visible. Así tres años después nacíael láser.

El láser, primer dispositivo similar al máser, capaz de producirun rayo de luz visible, intensa, coherente y monocromática, fueconstruido en mayo de 1960 por el físico norteamericano TheodoreHarold Maiman (n. 1927).

Maiman, utilizó un cilindro de rubí sintético, que es esencialmenteóxido de aluminio con una mínima cantidad de óxido de cromo,recubierto con una delgada capa de plata, con sus caras extremasplanas paralelas y muy bien pulidas.

El cilindro es alimentado con energía procedente de una lámparadestellante. Los electrones de los átomos de cromo ascienden al

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nivel superior para decaer poco después. Los primeros fotonesemitidos estimulan la producción de otros muchos y la barra emitesúbitamente un rayo de luz roja intensa. Dicha luz, puedeconcentrarse en un punto tan pequeño que las temperatura podíansobrepasar la de la superficie del sol.

A este dispositivo se le llamó máser óptico, para luegoconvertirse en láser, palabra compuesta por las iniciales en inglesde Light Amplificatión by Stimulated Emission of Radiation.

Otra contribución la aportó en 1960 el físico persa Alí Javan,investigador de los Laboratorios Bell; quien mediante el empleode una mezcla gaseosa de neón y helio desarrolló el laser

La luz “ordinaria”, producida de cualquier forma, desde la hoguerapasando por la luciérnaga hasta la luz solar, se compone de “paquetes”de ondas de diferentes frecuencias que irradian hacia innumerablesdirecciones. Sin embargo, la luz producida por el láser consta defotones de una misma frecuencia, que se mueven en la mismadirección y que aparentemente se “fusionan”, dando origen a lo quese denomina “luz coherente”.

De esta forma, el láser genera un haz de luz muy intenso,monocromático, formado por ondas coherentes, paralelas comojamás se había producido. Puede recorrer largas distancias sinprácticamente "ensancharse". Se puede enfocar con precisiónsuficiente para calentar una cafetera a unos 1600 Km de distancia.

Enfocar el haz de luz láser significa que se puede concentraruna gran cantidad de energía en un volumen muy pequeño dondela temperatura puede ser muy alta. Puede vaporizar metales, soldar,cortar o perforar sustancias de muy alto punto de fusión.

El empleo del láser se ha generalizado. En unos pocos años sehan desarrollado láseres que pueden producir centenares delongitudes de onda, desde la luz ultravioleta cercana hasta la infrarrojadistante. Se produce la acción láser con una variedad de materialessólidos, líquidos a gaseosos: óxidos metálicos, fluoruros ytungstenos, semiconductores, líquidos y columnas gaseosas. Cadauno con sus ventajas y desventajas.

En la investigación científica, el desarrollo del laser ha aportadonuevos elementos que permiten entender la naturaleza de la luz.Se ha vuelto importantes en el campo de las comunicaciones, en laindustria es empleados en la soldadura y el taladrado de precisióny hasta se emplea en la fabricación en juguetes. En la industria

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Alvaro Tucci R.

bélica, se incluye en los sistemas navegación y para apuntar lasarmas.

En medicina, se emplea para el tratamiento del cáncer o enprocedimientos quirúrgicos complejos, como la soldadura de laretina desprendida, donde los tejidos circundantes no sufrenlesión por efecto del calor. Como bisturí, es menos traumáticopara el paciente. En operaciones tan delicadas como las demédula espinal o el encéfalo, coagula con gran eficiencia y producecortes de gran precisión en ambientes secos o llenos de fluido,con muy poca producción de humo.

FUENTES ATÓMICAS DE LUZFUENTES ATÓMICAS DE LUZFUENTES ATÓMICAS DE LUZFUENTES ATÓMICAS DE LUZFUENTES ATÓMICAS DE LUZLa luz neón roja, proveniente de anuncios luminosos y la familiar

luz fluorescente, son ejemplos de fuentes de luz diferentes de laslámparas incandescentes. La luz proviene de la emisión de losátomos del material; se genera debido al "re-arreglo" energético desus electrones.

La figura 11.1, representa un átomo con su núcleo y loselectrones asociados. Si uno de estos electrones es excitadoadecuadamente, se altera su nivel normal de energía y seguramentese desplaza en una órbita de mayor energía.

Figura 11.1. Representación esquemática de la transición de un electrónque causa radiación electromagnética

Si se exita el electrón que se encuentra en la órbita Asuministrándole suficiente energía, es probable que se coloque enuna órbita de energía superior, como por ejemplo la B. Este electrón,en un tiempo muy corto, (en la mayoría de los átomos es del orden

322


de 10-8 segundos), regresa a su nivel de energía normal. En su

regreso, libera y emite el excedente de energía en forma de radiaciónelectromagnética o fotón.

La energía de los fotones emitidos es dada por «h × f»Donde «h» es la constante de Plank = 6,626 × 10

-34 joule/seg.

Y «f» es la frecuencia de la energía radiante en Hertz.

Si la frecuencia de la radiación electromagnética está dentro delrango de la luz visible, el color depende elemento del cual procede.

En el caso de la luz neón, la excitación se produce por colisiónentre los iones que componen el gas y los electrones suministradospor la corriente eléctrica que lo atraviesa. En su desexcitación, loselectrones producen emisión electromagnética cuya longitud deonda corresponde predominantemente a la luz roja. Esta luz, esesencialmente monocromática, aunque no se descarta la presenciade otras longitudes de ondas correspondientes a otros modos deexcitación.

En las lámparas fluorescentes, el mecanismo de generación deluz se produce en dos etapas. La desexcitación inicial produce luzno visible, predominantemente en la región ultravioleta, la cual esabsorbida por una capa que recubre el tubo en su interior. Losátomos que forman esta capa son excitados por la luz ultravioletay al desexcitarse producen luz visible, policromática, divergente,incoherente (de dirección y fase diferentes) y con una amplia gamade longitudes de ondas.

La fluorescencia, se presenta en aquellos materiales que tienenla característica de “desexcitarse” con tiempo mucho mayor quelos 10

-8 segundos. En algunos materiales este proceso puede

alcanzar horas o hasta de algunos días. A los materiales que tienenesta característica se le llama fluorescentes, puesto que emiten luzpor un largo periodo después de haber sido expuesto a ciertaexcitación inicial intensa. Estos materiales constituyen la base parael desarrollo del láser.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSERPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSERPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSERPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSERPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSERA continuación se describe el principio de funcionamiento, la

estructura física, las propiedades y las características del láser.

323

Alvaro Tucci R.

EMISIÓN POR ESTIMULACIÓNEMISIÓN POR ESTIMULACIÓNEMISIÓN POR ESTIMULACIÓNEMISIÓN POR ESTIMULACIÓNEMISIÓN POR ESTIMULACIÓNEl principio de operación del láser está basado en la emisión de

fotones de átomos excitados. Si los átomos de un material sonexcitados al mismo nivel y uno de ellos emite su radiación antesque los demás, el “paso” de esa radiación los estimula para quecedan el exceso de energía en forma de radiación electromagnética.Esa radiación emerge en fase y tiene la misma dirección que laradiación que indujo la desexcitación.

El efecto se esquematiza en la figura 11.2, donde se muestracómo el átomo “a”, previamente excitado emite radiación. Cuandoésta “pasa” en la cercanía de los átomos “b” y “c” los estimula paraque se desexciten y emitan luz con la misma dirección y fase quela radiación emitida por el átomo ”a”. A la radiación "secundaria"sele conoce como emisión estimulada.

Puesto que en la desexitación está envuelta una única transiciónentre capas atómicas, la radiación emitida por el material esmonocromática, es decir, de la misma frecuencia.

Figura 11.2. Atomos estimulados por el proceso de emisión por estimulación

ESTRUCTURA DEL LÁSERESTRUCTURA DEL LÁSERESTRUCTURA DEL LÁSERESTRUCTURA DEL LÁSERESTRUCTURA DEL LÁSEREl láser está formado por material soporte o huésped (Host

material) que contiene “átomos de larga vida de desexcitación”. Si

324


algunos de estos átomos en algún momento se desexcitaespontáneamente, la radiación emitida estimula los otros átomosque encuentra en su camino para que se desexciten también. Estosgrupos de átomos dan lugar a los impulsos de radiación emergente,como “p1” y “p2”, que se pierden fuera del material, tal como semuestra en la figura 11.3.

Ahora considérese un impulso dirigido perpendicularmente haciael espejo E1 y E2. Este impulso se refleja entre los espejosestimulando átomos a su paso, los cuales son desexcitadosrápidamente.

El espejo E2 es semitransparente, refleja el 60 % de la luz incidentey transmite el 40 % restante. Por lo tanto, parte del impulso en cadareflexión lo traspasa como una luz emergente con muy pocadivergencia.

Evidentemente, este sistema podría operar continuamente silos átomos que se van desexcitando se vuelven a reexcitar.

Figura 11.3. Estructura simplificada del láser

PROPIEDADES DE LA LUZ LÁSERPROPIEDADES DE LA LUZ LÁSERPROPIEDADES DE LA LUZ LÁSERPROPIEDADES DE LA LUZ LÁSERPROPIEDADES DE LA LUZ LÁSERLa luz láser es esencialmente monocromática; proviene

predominantemente de un cambio de nivel particular de energía delos electrones de un material dado. Las impurezas y vibraciones

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Alvaro Tucci R.

térmicas de los átomos producen algunas otras longitudes de ondacontaminantes.

La luz láser que emerge del espejo de salida es coherente. Lacoherencia implica que, aparte de ser monocromatica, los fotonesemitidos están en fase, es decir, no se produce interferenciadestructiva. La luz coherente se caracteriza por no ser divergente;después de recorrer cierta distancia la sección trasversal del hazno incrementa.

Sin embargo, debido a las vibraciones térmicas y otros efectosmenores, el haz, después de recorrer cierta distancia tienda aperderla. El grado de pérdide de coherencia se expresa comolongitud de coherencia La longitud de coherencia de un luzperfectamente monocromática es infinita. La luz que emergeperpendicular al espejo E2 tiene una divergencia del orden de los0,001 radianes.

Los láser construidos para ser operados en forma continua tienenpotencia comprendida entre fracciones de vatios hasta algunoscentenares de vatios. Los construidos para ser operados en formapulsante pueden tener una potencia instantánea del orden de losmillones de vatios, con el tiempo de emisión del orden de los microso nano segundos.

TABLA 11-1CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS LASER

Ejemplo 11.1Ejemplo 11.1Ejemplo 11.1Ejemplo 11.1Ejemplo 11.1 Un láser de helio-neón con diámetro de 0,3 cm y 10mw de potencia tiene una divergencia de 2 × 10

-3 radianes. El

detector empleado está colocado a una distancia de 200 m. Si el

Material Longitud de onda PotenciaAplicaciones (μm)

Helio-neón (gas) 0,6328 (roja) 0,5 a 100 mw (cw) Propósito general, calibraralineación

Argón (gas) 0,4880 (verde) 0,1 a 5 w (cw) Pequeñas soldaduras10 a 100 w comunicaciones(pulso)

Dióxido de carbono 0,6 (IR) 0 a 1Kw (cw) Corte, soldadura,(gas) comunicaciones, vaporización,

perforaciónRubí (sólido) 0,6943 (roja) 0 a 1Gw (pulso) Corte, soldadura, vaporización,

perforación, calibraciónNeodimio (sólido) 1,06 (IR) 0 a 1Gw (pulso) Corte, soldadura, vaporización,

perforación, comunicaciones

326


detector tiene una superficie de 6 cm2 hallar la intensidad a la cual

el detector puede activarse.Solución:Solución:Solución:Solución:Solución:Para resolver el problema se debe hallar la intensidad del rayo láser a200 m de distancia. El radio del rayo a esa distancia es dado por lafórmula de divergencia siguiente:

R2 = R1 + L tan δR2 = (1,5 × 10

-3 m) + (200 m) (tan 2 × 10

-3 rad )

R2 = 0,4015 m

Por lo tanto el área iluminada a los 200 m es:π × 0,4015

2 = 0,5064 m

2

La intensidad a 200 m de distancia es

I2 = = 0,01975 w/m2

La potencia interceptada por el detector es:

Pd = I × Ad = (0,01975 w/m2 )(6 ×10

-4 m

2 ) = 11,85 μw

Por lo tanto el detector debe activarse con una potencia depor lo menos 11,85 μw

Esta potencia, aunque muy pequeña, es suficiente para activarmuchos detectores.

DISPOSITIVOS QUIRÚRGICOS LÁSERDISPOSITIVOS QUIRÚRGICOS LÁSERDISPOSITIVOS QUIRÚRGICOS LÁSERDISPOSITIVOS QUIRÚRGICOS LÁSERDISPOSITIVOS QUIRÚRGICOS LÁSERLos dispositivos quirúrgicos láser, también conocidos como

bisturí láser, son posibles debido a las propiedades de coherenciade este tipo de luz, lo que permite que sea enfocada con muchamás precisión que la luz solar. De hecho, es posible enfocarla altamaño de las células vivas.

La posibilidad de enfoque tan precisa hace que la concentraciónde energía sobre las células causa su evaporación y por ende elcorte del tejido. En la cirugía oftálmica o cerebral, el haz puedeser dirigido a través de pequeñas cavidades, donde los espaciosson muy reducidos para poder usar métodos convencionales. Lascirugía láser es más "precisa" que la convencional pero las unidades

10.10-3 w

0,5064 m2

327

Alvaro Tucci R.

son mucho más costosas, más grandes y su manejo requiere deun entrenamiento prolongado.

EL LÁSER DE EL LÁSER DE EL LÁSER DE EL LÁSER DE EL LÁSER DE COCOCOCOCO22222El diagrama en bloques de un bisturí es mostrado en la figura

11-4. El tubo láser contiene una mezcla de gases de dióxido decarbono, nitrógeno y helio a baja presión, la cual es controlada porla bomba de vacío. En el bisturí de flujo continuo, la bombonasuministra gas permanentemente. La finalidad es renovar aquellasmoléculas de CO2 que son "destruidas" por el proceso que seefectúa dentro del tubo.

La fuente de alto voltaje d.c. suministra suficiente tensión paraproducir ionización del gas en el tubo. En su interior se estableceun flujo de corriente iónica. El flujo de iones al "chocar" con losátomos de gas los excitan y se produce el efecto láser.

Figura 11.4. Diagrama en bloques de un bisturí láser de CO2 de flujo continuo

El haz, que viaja a lo largo del eje del tubo, es reflejado por losespejos situados en ambos extremos y su intensidad se incrementaen cada recorrido. Debido a la semi transparencia de los espejos,parte de la luz emerge del tubo y viaja a lo largo del sistema ópticoque actua de guía. Con el lente de enfoque se ajusta al diámetrodel haz sobre el campo operatorio.

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Para una determinada potencia del haz, el diámetro del focodetermina la densidad de energía que se aplicará al tejido. El ajuste delenfoque y por ende del diámetro del foco, permite al cirujano realizarla operación de corte o coagulación. El corte se realiza con un diámetropequeño mientras que la coagular requiere de un diámetro mayor.

El tamaño del foco debe ajustarse antes de utilizarlo. Si no sehace, el haz podría causar lesiones en los tejidos, especialmente sila potencia es alta. Puesto que el láser de CO2 emite luz infrarrojainvisible, no puede ser empleada para ajustar el foco. El inconvenientese resuelve mediante el empleo de un láser auxiliar de baja potenciade helio–neón, que emite luz roja, utilizada únicamente con fines deenfoque, que se llama luz de apuntar o aiming light, la cual pasa por elmismo sistema de lentes que la luz infrarroja.

El procedimiento a seguir antes de aplicar potencia para el corteo la coagulación, es enfocar primero la luz visible provenientedel láser de baja potencia. Una vez obtenido el enfoque deseadoen el sitio adecuado, se procede a efectuar la operación con elhaz infrarrojo de alta potencia.

EL LÁSER DE ARGÓNEL LÁSER DE ARGÓNEL LÁSER DE ARGÓNEL LÁSER DE ARGÓNEL LÁSER DE ARGÓNEl principio de funcionamiento de esta unidad es similar e la

anterior. El láser de CO2 emite en el rango infrarrojo con longitudde onda de 10,6 mm, mientras que el láser de argón emite luz azulde 0,488 mm y verde de 0,515 mm, ambas en el rango visible.

La absorción de las radiaciones por parte de los diferentestejidos depende de la longitud de onda. Esta propiedad seaprovecha para efectuar diferentes tipos de intervencionesquirúrgicas. La luz generada por el láser de CO2 es adecuada paracortar, puesto que es absorbida fácilmente por el agua, principalcomponente de los tejidos. Mientras que la luz proveniente delgas argón pasa a través del agua con muy poca absorción, pero esfuertemente absorbida por tejidos obscuros, como la hemoglobinao la mielina.

La luz proveniente del láser de argón no es tan efectiva para cortar,pero lo es para coagular y para ligar. Con potencia comprendidaentre los 0,01 y los 20 vatios es empleada para "soldar" la retinadesprendida o para coagular. Para soldar la retina, la luz pasa sinser absorbida por el humor vítreo, pero es fuertemente absorbidapor la retina donde se genera el calor que producirá su "soldadura".

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Alvaro Tucci R.

LÁSER DE CRISTAL DE ESTADO SÓLIDOLÁSER DE CRISTAL DE ESTADO SÓLIDOLÁSER DE CRISTAL DE ESTADO SÓLIDOLÁSER DE CRISTAL DE ESTADO SÓLIDOLÁSER DE CRISTAL DE ESTADO SÓLIDOEste tipo de láser, utilizado en aplicaciones médicas, emplea un

cristal artificial que produce longitud de onda de 1,06 mm. El cristalartificial de Nd Yag se coloca entre dos espejos reflectores, tal comose muestra en el diagrama en bloques de la figura 11-5.

Figura 11.5. Diagrama en bloques del un láser de estado sólido

La fuente y bomba produce una luz no coherente con un altocontenido de longitud de onda de 1,06 mm, la cual es dirigidahacia el cristal que es estimulado a la acción láser. La luz, al igualque en los sistemas anteriores, se incrementa en cada recorridopor el cristal al efectuar sucesivas reflexiones en los espejos.

Parte es transmitida por la fibra óptica hacia el bisturí láser.Para esta longitud de onda (10 veces menor que la del láser deCO2) la eficiencia de transmisión de la fibra óptica es superior,sin embargo debe ser refrigerada por una corriente de aire.

El láser genera unos 100 vatios en forma de luz. Sólo un 15% seaprovecha. El resto debe ser disipado por los sistemas deenfriamiento.

La efectividad en el corte de este láser está entre el de CO2 y elde argón. Es adecuado para cortar tejido con mucha pigmentación.

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MEDIDAS DE SEGURIDADMEDIDAS DE SEGURIDADMEDIDAS DE SEGURIDADMEDIDAS DE SEGURIDADMEDIDAS DE SEGURIDADPuesto que el láser puede producir daños considerables a gran

distancia del campo operatorio, durante su empleo debenobservarse y cumplirse normas de seguridad como las enumeradasa continuación:

1. Colocar en posición correcta el haz de luz láser antes deaplicar la potencia requerida. Para realizar esta operación debeemplearse la luz de apuntar (aiming light).

2. Calibrar la luz de apuntar para asegurar precisión.

3. Colocar esponjas mojadas alrededor del campo operatorio afin de prevenir algún daño en los tejidos circundantes si el hazes mal dirigido.

4. Apartar las superficies reflejantes cercanas que puedan desviarla dirección del haz del área de cirugía.

5 Recubrir las superficies plásticas o de goma con hojas metálicasadhesivas, para evitar que sean quemadas por el haz.

6. No emplear el láser con anestésicos inflamables, ni enambientes donde la concentración de oxígeno es superior al40%.

7. Utilizar un succionador para eliminar el humo provenientedel campo quirúrgico.

8. El personal presente en el quirófano debe usar lentes confiltro, para evitar la posibilidad que el haz reflejado puedadañarles los ojos.

9. Eliminar la ropa inflamable para evitar que el haz reflejadopueda encenderla.10. Cubrir las ventanas con material opaco, para evitar que elhaz se propague más allá del quirófano.

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Seguridad eléctrica hospitalariaSeguridad eléctrica hospitalariaSeguridad eléctrica hospitalariaSeguridad eléctrica hospitalariaSeguridad eléctrica hospitalaria

APÉNDICE A

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNCCCCCon los avances de las últimas décadas, un hospital, además

de un simple edificio donde se suministran cuidados médicos, seha convertido en un centro de tecnología donde existen miles deaparatos eléctricos. Por tal motivo, las personas que operan dentrode estas instalaciones, ya sea pacientes, médicos, auxiliares ovisitantes están expuestas al shock eléctrico, quemaduras,radiaciones o en contacto con tóxicos.

El comportamiento dentro de estas instalaciones debe regirsepor normas de seguridad, que tienen por objeto evitar incidentesy proteger a las personas e instalaciones de los percances quepudieran ocurrir. Los equipos deben instalarse siguiendo lasinstrucciones del fabricante. Las instalaciones de servicios, comolas de suministro de energía eléctrica, oxígeno u otros gases ylas instalaciones sanitarias, deben realizarse de acuerdo a lasespecificaciones y ordenanzas vigentes en la región.

En este apéndice se analiza únicamente la exposición al shockeléctrico. Se sugieren algunas normas de seguridad orientadas aminimizar las posibilidad de sufrirlo y se proponen algunosdispositivos de protección, especialmente en áreas donde todoparece moverse con electricidad. Se analiza también el efectofisiológico de la corriente y los riesgos que representa.

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Instrumentación biomédica / Apéndice A / Seguridad eléctrica hospitalaria

La protección debe ser dirigida particularmente a los pacientes,quienes enfrentan con desventaja estos riesgos, por estarenfermos, anestesiados, inconscientes o sometidos aintervenciones quirúrgicas. A aquellos que se le ha reducido laresistencia natural de la piel, por estar “conectados” a electrodos ocatéter intravenoso, o a los que están en ambientes excesivamentehúmedos, como los sometidos a diálisis. Aquellos con sondascardíacas son especialmente vulnerables y necesitan protecciónadicional, ya que pequeñas corrientes pueden ocasionar la muertepor microshock.

El microshock fue reportado a partir de 1969, cuando seobservó que pacientes con catéteres instalados podíanelectrocutarse con corrientes muy inferiores a las normalmentepermitidas. El pánico se extendió al estimarse que alrededor de1200 norteamericanos al año morían electrocutados durantediagnósticos rudimentarios o tratamientos terapéuticos. Esta cifraes sólo una estimación, ya que la muerte por microshock dejaescasas evidencias.

El riesgo es mucho menor si se entrena adecuadamente elpersonal, se emplean equipos modernos, se implementan lasmedidas de seguridad y se hacen pruebas rutinarias de confiabilidaden los equipos.

EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICAEFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICAEFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICAEFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICAEFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICACuando se aplica una diferencia de potencial entre dos regiones

del cuerpo, se produce un flujo de corriente cuya magnitud dependedel potencial aplicado y de la resistencia del circuito. La casi totalidadde la resistencia se encuentra concentrada en la piel,específicamente en la capa superior de la epidermis.

La resistencia de la piel al paso de la corriente no es un valorconstante; es inversamente proporcional al área de contacto,depende de la parte del cuerpo donde es medida, de la cantidad deagua o sudoración presente y de los aceites naturales que contiene.

Un electrodo de un centímetro cuadrado en contacto eléctricocon la piel sana y seca presenta una resistencia comprendida entre15 Kohmios y 1 Mohmio. Si la piel está mojada o lesionada, laresistencia puede bajar hasta el 1% de estos valores.

Normalmente se asume que la resistencia del cuerpo, una veztraspasada la piel, es de unos 200 ohmios. Cualquier procedimiento

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Alvaro Tucci R.

médico que reduce o elimina la resistencia natural de la piel haceque el paciente se vuelva muy vulnerable.

Cuando se emplean termómetros electrónicos colocados en laboca o en el recto o cuando se instalan catéteres intravenosos, seelimina completamente la resistencia de la piel. Los pacientessometidos a estas prácticas deben protegerse adecuadamente,puesto que tensiones muy pequeñas pueden ser fatales.

Para lograr un buen contacto entre los electrodos y la piel espráctica común reducir deliberadamente su resistencia, para lo cualse coloca gel u otro electrolito entre ambos. En la tabla A1 seespecifica la resistencia promedio por cm

2 para diferentes electrodos.

Tabla A1Tabla A1Tabla A1Tabla A1Tabla A1

Electrodo en piel seca 100 KohmiosElectrodo con gel 10 KohmiosElectrodo que penetra la piel 0,2 Kohmios

La frecuencia de la corriente a que se está expuestos esnormalmente de 60Hz. Sin embargo, existe la probabilidad de quelos pacientes estén en contacto con frecuencias mayores cuandosometidos a cirugías donde se emplea el electrobisturí, cuyafrecuencia de operación es del orden de los 500 KHz

La corriente de alta frecuencia es menos peligrosa, debido aque no tiene capacidad para provocar la contracción involuntariade los músculos o fibrilación cardíaca. Si su intensidad es del ordende los amperios, en lugar de despolarizar las células y producirelectroshock, las vaporiza y produce quemaduras.

La electricidad estática también puede ser peligrosa para laspersonas y los equipos, especialmente los construidos contecnología CMOS. Las chispas causadas por la electricidadestática pueden causar explosiones en presencia de gasesinflamables. Las alfombras, son normalmente la causa de que seestablezcan cargas estáticas, por tal motivo no sonrecomendadas en áreas donde se atienden pacientes críticos.

MACROSHOCKMACROSHOCKMACROSHOCKMACROSHOCKMACROSHOCKSe llama macroshock eléctrico al paso de corriente por una

porción extensa del cuerpo. Se clasifica según al efecto fisiológicoque produce. Si la intensidad es de algunos miliamperios causa

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ligeros cosquilleos. Una corriente de más intensidad produce unasacudida intensa y dolorosa; puede causar quemaduras severas ola muerte instantánea si la intensidad es del orden de los amperios.Su efecto depende principalmente de la densidad de la corrientey de los órganos por donde circula. El corazón y el sistemarespiratorio son los más sensibles.

La corriente, en su recorrido, produce despolarización ycontracción muscular involuntaria. Si es muy intensa, el calorgenerado por efecto Joule, hace que se evaporen las células y sequemen los tejidos.

Las consecuencias pueden ser fatales si pasa de un brazo aotro, de un brazo a las piernas, o de cualquiera de las extremidadesa la cabeza, ya que se ven comprometidos órganos vitales como elcorazón o el centro nervioso respiratorio. Si su recorrido es entreun brazo y su mano, entre dos puntos del abdomen, o entre unapierna y otra, donde no están comprometidos esos órganos, lasconsecuencias son menos severas.

Si la corriente pasa por el tórax una porción de ella alcanza elcorazón, y si es suficientemente intensa puede producir fibrilación.Si la corriente no pasa por el pecho es improbable que esto ocurra,aun cuando se produzca contracción muscular involuntaria.

En la tabla A2 se especifican los efectos fisiológicos de lacorriente de 60Hz cuando circula por el tórax.

Corriente (mA) Efectos fisiológico1 a 5 Sensación de cosquilleo5 a 8 Dolor intenso8 a 20 Contracción muscular involuntaria20 a 80 Parálisis80 a 1000 Fibrilación cardíacaMás de 1000 Contracción sostenida del

miocardio

Se llama umbral de percepción a la mínima corriente que se puedesentir. Varía considerablemente entre individuos, principalmente porlas condiciones de la piel. Corrientes con intensidad inferior a 5 mAproducen únicamente la sensación de cosquilleo. Se considerapeligrosa toda corriente superior a este valor.

La corriente de 8 a 20 mA causa contracción muscularinvoluntaria. En ocasiones la persona afectada no puede apartarse

Tabla A.2 Tabla A.2 Tabla A.2 Tabla A.2 Tabla A.2

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o soltarse voluntariamente. Otras veces se produce un reflejo deretirada que puede causar lesiones secundarias, como la caída deuna escalera.

Corrientes mayores de 20 mA, que pasan por el tórax, producencontracciones musculares generalizadas del sistema respiratorio einterferencia de los impulsos nerviosas que lo controlan. Si persistenpueden causar la muerte por asfixia.

Desafortunadamente, la corriente con frecuencia de 60 Hz esideal para producir fibrilación ventricular. La fibrilación cardíaca sepresenta si la intensidad a través del tórax es superior a 80 mA. Elnodo SA pierde el control habitual de los latidos y el músculocardíaco interrumpe su funcionamiento normal.

Los ventrículos pierden la sincronización, se interrumpe la acciónde bombeo, y a menos que se tomen rápidas acciones terapéuticasque reviertan la fibrilación, en minutos sobreviene la muerte.Desafortunadamente la fibrilación no se detiene cuando se eliminala causa que la produjo. Se estima, que por este motivo se producenla mayoría de los decesos por shock eléctrico.

Para revertir la fibrilación debe aplicarse a través del tórax unacorriente superior a 1 Amperio, la cual causa contracción simultaneadel músculo cardíaco. Cuando la corriente es suprimida, es probableque el nodo SA tienda a retomar control y el corazón vuelve a latirnormalmente. A este procedimiento se le llama desfibrilación.

Los efectos anteriores se magnifican si la protección natural dela resistencia de la piel es eliminada por algún procedimiento médico;por ejemplo, la inserción de sondas por los orificios naturales opor incisión de la piel. En estos casos, con menos voltaje circula lacorriente suficiente para producir los efectos fisiológicos descritos.

Ejemplo A1Ejemplo A1Ejemplo A1Ejemplo A1Ejemplo A1Utilizando los valores de la resistencia de la piel de la tabla A1,determinar los voltajes que producen la corriente de microshockde 5mA para:

a.- Dos electrodos superficiales adosados a la piel seca.b.- Dos electrodos superficiales adosados con gel.c.- Dos electrodos que la penetran la piel.

Asumir que los electrodos superficiales son 12 cm2 y que la

resistencia interna del cuerpo es de 200 ohmios.

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Solución:Solución:Solución:Solución:Solución: El circuito por donde circula la corriente está formado por doselectrodos y la resistencia del cuerpo. La caída de tensión es dada por:

V = [2 (R electrodos ) + R cuerpo] I

Para electrodos colocados sobre la piel seca se obtiene:

V = [2 (100K/12) + 200)] 5mA = 84,33 v

Para electrodos con gel se obtiene:

V = [2 (10K/12) + 200] 5mA = 9,33 v

Para electrodos que penetran la piel la única resistencia es ladel cuerpo, por lo tanto

V = (200)5 mA = 1,00 v

De los resultados se observa que con los electrodos colocadosen la piel seca se necesitan 84,33v para que circule una corrientepeligrosa. Este valor se reduce a 9,33v para electrodos adosadoscon gel, y solamente 1v para los electrodos que penetran la piel oestán colocados sobre una herida.

El macroshock es más frecuente cuando se emplea un sistemade distribución de dos conductores, la fase y el neutro, y no sedispone de un tercer conductor conectado a tierra.

La figura A1(a), ilustra la situación de riesgo que puede ocurrirpor desperfecto en el equipo donde la fase F entra en contactocon el conductor del paciente P. El macroshock ocurre cuando elindividuo toca tierra, la caja o chasis del equipo.

La figura A1(b) ilustra cómo, debido al empleo de tomas decorriente de dos terminales, puede producirse macroshock cuandose invierte la fase con el neutro. El individuo recibe una descargacuando toca el instrumento.

La figura A1(c) muestra otra situación de riesgo, que se presentacuando la fase entra en contacto con la caja del instrumento. Elindividuo recibe shock eléctrico cuando en contacto con el chasistoca la tierra o el neutro.

Por estas razones, el sistema de alimentación con dos

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conductores no está permitido en instalaciones sanitarias. Debeagregarse un tercer conductor, llamado tierra, que conecta las cajade los instrumentos con la tierra del edificio. Nótese que si elconductor de tierra se abre, las condiciones de riesgo mostradasen la figura A1 permanecen.

Figura A1. Situaciones de choque eléctrico con distribución de dos conductores.

MICROSHOCKMICROSHOCKMICROSHOCKMICROSHOCKMICROSHOCK

El microshock es la respuesta fisiológica a una corriente, queaplicada directamente o en la cercanía del corazón, produce estímulos,contracciones no deseadas, o daño en sus tejidos. En casos extremospuede originar la muerte. Ocurre únicamente cuando por el corazóncircula corriente alternada de baja frecuencia (60Hz)o corrientecontinua superior a 10mA.

338


En el microshock, la corriente es pequeña y distribuida envolúmenes reducidos, mientras que en el macroshock, la corrientees mucho mayor y se distribuye en volúmenes más grandes.

Los pacientes expuestos a este riesgo son aquellos que tienenalgún dispositivo colocado cerca o dentro del corazón; cuando tienencolocados electrodos de marcapasos externos, o cuando estánsujetos a mediciones endocárdiacas. En las mediciones endocárdicasse emplean catéter aislados de conductor liquido colocados dentrodel corazón, con la finalidad de medir la presión sanguínea, tomarmuestras de sangre o inyectar medicamentos o colorantes.

El catéter es una sonda en forma de tubo que se introduce enlas cavidades o conductos normales o patológicos del cuerpo. Sirvede guía para instrumentos quirúrgicos, conductores, para inyectarlíquidos o para realizar alguna medida.

El catéter aislado está formado por un tubo aislante que hacecontacto eléctrico con el corazón únicamente en la punta. Elconductor contenido en el tubo puede se sólido o líquido.

El microshock se produce por la alta densidad de corriente enla punta del catéter en contacto con el músculo cardíaco. Seentiende por densidad de corriente a la cantidad que circula porunidad de superficie perpendicular a su dirección.

El microshock induce al corazón a fibrilar con los resultadosantes descritos. La situación en que se produce microshock y elmacroshock se ilustra en al figura A2.

Figura A2. Densidad de corriente en el microshock y en el macroshock

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La figura A3 ilustran situaciones en que produce microshockcuando los equipos son alimentados con fase y neutro o cuandoel conductor de tierra se abre.

Un paciente puede estar sometido a microshock si está“conectado” a dos equipos cuyos chasis están a tensionesdiferentes. Estas tensiones son causadas por la caída de tensiónen el neutro. Este efecto es virtualmente eliminado si se empleaun buen conductor de tierra.

Figura A3. Situaciones en que se produce microshock

EjemploA2EjemploA2EjemploA2EjemploA2EjemploA2Un aparato alimentado con 120 voltios entre fase y neutro consume100 vatios. Si el neutro está conectado al chasis por medio de unconductor que tiene resistencia de 0,2 ohm; calcular la tensión delchasis respecto a tierra.

Corriente por el neutro = 100/120 = 0,83 A Tensión del chasis = 0,83 x 0,2 = 0,17 voltios

El ejemplo muestra cómo la corriente que circula por el neutrohace que el chasis del aparato esté a una tensión diferente decero. La pequeña resistencia de 0,2 ohmios es formada por laresistencia del conductor neutro y de las conexiones.

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Es importante reducir esta resistencia al mínimo, para lo cual sedeben emplear conductores de suficiente sección y conexionesde excelente calidad.

Si por cualquier eventualidad, el chasis del aparato entra encontacto con un paciente que tiene instalado un catéter, la corrienteque circula por su corazón será:

Corriente de microshock = 0,17/200 = 0,83 mA

Es evidente que inclusive una tensión de 0,17 voltios puedeproducir microshock, puesto que la corriente que circula por elcorazón es mayor que 10 uA.

Si en el aparato anterior se enciende otra porción del circuitoque consume 2A adicionales, la nueva tensión del chasis será:

Corriente en el neutro = 2 + 0,83 = 2.83 ATensión en el chasis = 2,83 . 0,2 = 0,57 V

Corriente de microshock = 0,57/200 = 2,85 mA

Los cálculos evidencian que para aparatos de mayor consumodeben tomarse mayores precauciones.

Ejemplo A3Ejemplo A3Ejemplo A3Ejemplo A3Ejemplo A3:Con relación a la figura A3(b), determinar la corriente de pérdida

si la resistencia de la piel es 10 Kohmios. La resistencia del catéteres de 10 Kohmios y la resistencia del corazón es de 200 ohmios. Elequipo electrónico es alimentado con 120 voltios y existe un fuerteacoplamiento de 500 pF entre la fuente de poder y el conductordel paciente.

Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: El circuito equivalente es

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Alvaro Tucci R.

La impedancia del condensador es: Xc = 1/(6,28 f C) = 5,3Mohmios

Por lo tanto, se puede asumir que el resto de las resistenciasen el circuito son despreciables.

La corriente de microshock que circula será: = V/Xc = 22,6 uAEsta corriente, por exceder el valor de seguridad, puede causar

fibrilación del corazón.Este caso se presenta cuando:• El paciente en contacto a dos o más equipos cuyos chasis están a tensiones diferentes.• El paciente en contacto con un solo equipo entra en contacto con tierra.• Cuando el conductor de tierra se abre.

Figura A4. Ejemplo de un microshock y Figura A5. Riesgo de microshock

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La figura A4 muestra cómo un paciente intervenidoquirúrgicamente esta sujeto a estos riesgos.

El riesgo al microshock no se elimina completamente con lainstalación del conductor de tierra. Considérese el caso mostrado enla figura A5, donde el neutro de un equipo de gran consumo, como elde aire acondicionado que está en un ambiente diferente al de elpaciente, se abre. La alta corriente de retorno del equipo regresa porel conductor de tierra causando una caída de voltaje apreciable.

En estas condiciones, la diferencia de tensión entre los equiposy la tensión de sus chasis respecto a tierra es alta, por lo que puedecausar microshock al paciente. Para minimizar este riesgo esrecomendable instalar una tierra adicional para los equipos de altoconsumo.

BUS DE ALIMENTACIÓNBUS DE ALIMENTACIÓNBUS DE ALIMENTACIÓNBUS DE ALIMENTACIÓNBUS DE ALIMENTACIÓNLa compañía de electricidad suministra energía por medio de

unos conductores que forman el bus de alimentación. Los puntosdonde los equipos tiene disponible esa energía son lostomacorrientes, distribuidos por todo el edificio. En ellos se disponede corriente alternada monofásica, bifásica o trifásica con frecuenciade 50 o 60Hz, dependiendo de los requerimientos del equipo y delsistema eléctrico de cada país.

La mayor parte del sistema de distribución, especialmente aquelque alimenta equipos médicos de bajas potencia, está formado portres conductores; fases, neutro y tierra. Los equipos de medianapotencia están alimentados con dos fases, neutro y tierra y los demayor potencia con tres fases neutro y tierra. En el tablero dedistribución, el neutro y la tierra se unen y se conectan a unconductor suministrado por la compañía de electricidad que seconecta a la barra de tierra del edificio.

El cableado del sistema de alimentación monofásicoestandarizado en Norteamérica y adoptado por muchos países semuestra en la figura A6. El conductor de fase F es de color negro, elneutro N es de color blanco y G la tierra de color verde o desnudo.

Aunque en el tablero de distribución el conductor neutro estaunido al conductor de tierra, ellos cumplen diferentes funciones yno son intercambiables. Por el neutro fluye la corriente de retornode la fase, mientras que por el conductor de tierra circula muy pocacorriente o ninguna, a menos que existan fallas o fugas.

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Figura A6. Bus de alimentación en un sistema monofásico

EL SISTEMA DE TIERRAEL SISTEMA DE TIERRAEL SISTEMA DE TIERRAEL SISTEMA DE TIERRAEL SISTEMA DE TIERRAA efectos de la seguridad, el conductor de tierra es el más

importante; asegura que las partes del equipo que puedan sertocadas están efectivamente a tensión cero.

De no existir este conductor, al producirse fallas en los circuitosinternos, fugas en los aislantes, tensiones estáticas o inducidaspor acoplamientos capacitivos, o cortocircuitos, las partes metálicasde los equipos podrían estar a tensiones relativamente altas.

Es de esperar, que en condiciones normales la corriente por elconductor de tierra es muy pequeña. Sin embargo, si ocurren fugasde la fase a chasis o se produce un cortocircuito, la corriente puedeser apreciable. En estas condiciones es cuando se pone a pruebasu efectividad.

La tensión que se establece es el producto de la corriente defuga por la resistencia de tierra. Para que esta última sea pequeña,el sistema de tierra debe presentar muy baja resistencia, para locual los conductores deben ser lo más cortos posible y tener porlo menos dos veces el calibre que el conductor de fase.

En caso de cortocircuito a tierra, mientras no actúen los sistemasde protección formados por los fusibles o breakers, por elconductor de tierra puede circular una corriente muy intensa, lamisma que circula por los fusible o breaker, por lo tanto debe sercapaz de soportarla.

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La figura A7 muestra un sistema de tierra empleado eninstalaciones hospitalarias. Cada cama está conectada al punto detierra del paciente y para cada una existe un grupo detomacorrientes colocados lo más cerca posible, todos alimentadospor la misma fase. El conductor de tierra que los une es llevadotambién al punto de tierra del paciente. Los punto de tierra de cadapaciente son interconectados por las subtierras a la tierra principaldel edificio.

Todos los equipos y todas las camas que están en una mismahabitación deben estar conectados a la misma subtierra por mediode un conductor No 6 u 8, y todas las subtierras deben unirse a latierra principal del edificio por medio de conductores los más cortosposible.

El sistema de tierra en áreas críticas debe ser de alta calidad,puesto que protege a pacientes sometidos a procedimientosmédicos que los vuelven particularmente vulnerables. Por tal motivo,también deben conectarse a tierra todas las superficies conductorasque se encuentran en el área y que pudieran entrar en contactocon los pacientes o con quienes los atienden.

Figura A7. Sistema de tierra en cada cama

Deben conectarse al punto de subtierra la cama metálica, losmarcos de las puertas y ventanas metálicos, las tuberías de agua y

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de gases, estantes y cualquier otra superficie conductora. Laresistencia hasta la tierra del paciente debe ser menor que 0,1ohmios y la tensión no debe exceder 0,1 voltio.

El macroshock, generalmente se produce por la ausencia odefecto en sistema de tierra. Por ejemplo, si la fase hace cortocircuitototal o parcial con el chasis del aparato o con el conductor quellega al paciente, y si el paciente o el operador están en contactosimultáneamente con la tierra.

La primera medida a adoptar para minimizar este riesgo, es quecada equipo debe estar conectado a la red de la forma indicada en lafigura A6. El conductor de tierra debe hacer muy buen contacto eléctricocon la carcasa metálica del equipo y con la tierra del sistema eléctrico.

Otra fuente de riesgo se produce si el conductor de fase y elneutro son invertidos. Esta situación se presenta cuando se conectaa la red un equipo que dispone de toma de corriente de dosterminales. Por esta razón, debe descartarse su uso y emplearsetomacorrientes especiales, fabricados para uso hospitalario, dondeno existe tal posibilidad.

Frecuentemente, los equipos con tomacorriente de dosterminales, como radios, televisores o calefactores, sonintroducidos en las instalaciones hospitalarias por los mismospacientes o sus familiares. Debe evitarse el empleo de adaptadoresque convierten un sistema de tres conductores a uno de dosconductores, donde se elimina la conexión de tierra.

TIERRA EN ÁREAS DE CUIDADO CRÍTICOTIERRA EN ÁREAS DE CUIDADO CRÍTICOTIERRA EN ÁREAS DE CUIDADO CRÍTICOTIERRA EN ÁREAS DE CUIDADO CRÍTICOTIERRA EN ÁREAS DE CUIDADO CRÍTICOEn áreas de cuidado crítico, como salas de emergencia,

quirófanos, unidades de cuidado intensivo o coronario, salas decateterismo, cuartos de recuperación o salas de parto y de diálisis,deben adoptarse los siguientes criterios.

• Establecer un solo punto de tierra dentro de la habitación y conectarlo al exterior por medio de un solo conductor.• Limitar al máximo la longitud del conductor de tierra dentro de la habitación.• Medir la caída de tensión y comprobar que se encuentra dentro de los límites permitidos.• Diseñar el entorno para asegurar que el paciente está confinado y protegido dentro del sistema de tierra de su habitación.

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Las precauciones anteriores son efectivas si no se produceninguna avería en el conductor de tierra, por tal razón, debetomarse la precaución de revisar periódicamente el conductor,sus conexiones y los contactos de los tomacorriente. Estosúltimos deben ser de calidad hospitalaria.

Las corrientes de fuga que fluyen hacia el chasis son llevadas atierra por este conductor. Si se rompe o se abre, el potencial puedesubir a niveles peligrosos para los pacientes que están en contactocon el chasis, mientras están siendo cateterizados. Por esta razón,es indispensable realizar inspecciones periódicas en equiposmédicos, con la finalidad de detectar posibles corrientes de fuga.

Aunque se instalen tierras separadas para cada paciente, no esposible prevenir completamente la aparición de voltajes peligrososque puedan ser el resultado de fallas en el sistema de tierra.

CORRIENTE DE FUGACORRIENTE DE FUGACORRIENTE DE FUGACORRIENTE DE FUGACORRIENTE DE FUGASe llama corriente de fuga aquella que fluyen por vías no

previstas. Es peligrosa debido a que si el conductor de tierra serompe o hace mal contacto fluye a tierra a través del paciente.

Aunque los equipos estén en perfectas condiciones, la corrientede fuga es casi inevitable, es causada por acoplamientos capacitivos,resistivos e inductivos entre los circuitos eléctricos y el chasis o elcable del paciente.

En equipos alimentados con corriente alternada, el acoplamientocapacitivo es el componente principal. Se presenta entre losconductores eléctricos y el chasis, principalmente entre el cablede alimentación, el filtro de línea y transformador. La figura A8representa estas capacidades por medio de C1, C2 y C3.

C1 representa la capacitancia entre el conductor de fase y lacaja del instrumento.

La mayoría de los equipos tienen un transformador de potencia,donde el primario y los secundarios están enrollados sobre unmismo núcleo magnético. De esa manera, por existir conductoresseparados por un aislante, se crea el acoplamiento capacitivo C2entre los devanado y el núcleo. La corriente de fuga mássignificativa es la que se establece entre el primario y el núcleo,generalmente conectado a tierra.

La corriente de fuga debida al transformador varíaconsiderablemente de un instrumento a otro; depende de sus

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dimensiones físicas, de su construcción y de qué forma estáconectado a la red. Normalmente se acepta que la corriente defuga del sistema de potencia sea inferior a 100 uA.

Figura A8. Corriente de fuga debida a las capacidades distribuidas

C3 representa la capacitancia distribuida del conductor dealimentación que es del orden de los 5 uA por metro de longitud. Sereduce a 1uA en conductores especiales que actualmente seencuentran en el mercado.

Parte de la corriente de fuga es debida al acoplamiento resistivo;la corriente fluye de los circuitos eléctricos sometidos a tensiónhacia el chasis o la sonda del paciente. Se debe a la resistenciafinita de los aislantes; su resistencia superficial se ve disminuidapor la presencia de humedad, polvo, suciedad, aceite u otros fluidosque pudieran haber entrado en el equipo.

El acoplamiento inductivo se produce generalmente por lapresencia de transformadores y motores que inducen corrientesde pérdidas en el chasis.

ALGUNAS NORMAS DE SEGURIDADALGUNAS NORMAS DE SEGURIDADALGUNAS NORMAS DE SEGURIDADALGUNAS NORMAS DE SEGURIDADALGUNAS NORMAS DE SEGURIDAD

Los factores que influye en la seguridad son el diseño adecuadodel sistema eléctrico, el empleo de materiales de calidadhospitalarias y la utilización de equipos hechos siguiendo las normasde seguridad. Con relación a los equipos pueden hacerse lassiguientes observaciones:

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• No deben volverse peligrosos si son expuestos a condiciones ambientales adversas; en atmósfera de alta o baja humedad, temperaturas extremas, polvo excesivo, almacenamiento prolongado o esfuerzos mecánicos.• Deben construirse para poder ser desinfectados o esterilizados.• Sus superficies no deben ser tóxicas.• Para evitar ser volteados su centro de gravedad debe ser bajo.• Los controles y levas no deben sobresalir excesivamente.• No deben construirse con orificios en la parte superior, para evitar que un derrame líquido pueda llegar a su interior.• Los orificios de ventilación deben ser reducidos, de manera que los niños no puedan introducir sus dedos u objetos metálicos.

El conductor de alimentación debe ser protegido contraesfuerzos mecánicos, especialmente en el sitio donde entra en elequipo, de forma que no se transmitan los esfuerzos a lasconexiones internas. Debe ser del tipo de bajas pérdidas por fugasentre la fase y tierra.

Cada instrumento debe ser marcado con el nombre delfabricante, modelo, serial, fecha de fabricación, voltaje, frecuenciade operación y consumo. Los fusibles y breakers deben identificarsepor su amperaje. Deben tener especificado si pueden ser empleadosen áreas de cuidado crítico o en presencia de gases inflamables.

El reemplazo rutinario de pilas no debe representar un riesgoy debe poderse hacer sin el empleo de herramientas. El acceso alos circuitos eléctricos no debe realizarse sin el auxilio deherramientas, a menos de que se disponga de un sistemaautomático de desconexión al abrirse el aparato.

Debe evitarse el empleo de filtros de línea, debido a que éstosproducen corrientes de fuga apreciables.

Los fabricantes de equipos para uso hospitalario tienen especialcuidado en aislar la caja del instrumento y minimizar la capacitanciaentre ella y conductor de fase. La impedancia entre el conductor defase y los conductores de las sondas que llegan hasta el pacientedebe ser alta. Cuando se reparan estos equipos no deben alterarseestas características.

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Los equipos fabricados con viejas tecnologías generalmentetienen mayores corrientes de fuga, por lo tanto no deben emplearseen pacientes críticos, a menos que esté asegurado un buen sistemade tierra.

Cuando un instrumento nuevo o reparado llega al hospital debecomprobarse que la corriente de fuga, en las peores condiciones,está dentro de los límites permitidos y que el cable de alimentacióny las conexiones no están rotas o deterioradas. Ambasverificaciones deben realizarse cada tres meses.

A pesar de que los instrumentos electrónicos empleados eninstituciones hospitalarias se construyen para brindar máximaseguridad, los componentes, como los dispositivos de seguridad,los aisladores, gomas, ventiladores y condensadores, cuandoenvejecen comienzan a fallar. Se deben inspeccionarseperiódicamente y realizar mantenimiento preventivo.

TÉCNICAS DE PROTECCIÓNTÉCNICAS DE PROTECCIÓNTÉCNICAS DE PROTECCIÓNTÉCNICAS DE PROTECCIÓNTÉCNICAS DE PROTECCIÓNExisten dos métodos de protección contra el shock eléctrico.

En el primero, se trata de aislar el paciente para que no tenga laposibilidad de entrar en contacto con la fuente de energía eléctricay la tierra; el segundo, consiste en mantener todas las superficiesconductoras que pudieran entrar en contacto con el paciente a unmismo potencial. En la práctica, ninguno de estos sistemas puederealizarse fácilmente, por eso se recurre a su combinación.

INTERRUPCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICAINTERRUPCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICAINTERRUPCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICAINTERRUPCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICAINTERRUPCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICALa interrupción de energía en equipos sostenedores de la vida,

como los respiradores, desfibriladores, marcapasos y aquellossituados en el área de quirófano, puede ser fatal si el sistema deemergencia no entra inmediatamente en servicio al detectar lainterrupción del sistema eléctrico de la zona.

Los hospitales deben contar con una planta de generación deelectricidad, de potencia adecuada para alimentarlos mientraspermanezca la interrupción.

Se considera que la transferencia de potencia al sistema deemergencia no debe durar más que 10 segundos, lo cual implicaque las plantas deben estar en funcionamiento continuo, odisponen de sistemas de arranque rápido o de bancos de baterías.La tierra del sistema de emergencia debe ser la misma que laempleada durante el suministro normal de energía.

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DOBLE AISLAMIENTODOBLE AISLAMIENTODOBLE AISLAMIENTODOBLE AISLAMIENTODOBLE AISLAMIENTOEl doble aislamiento tiene por objeto evitar que las personas

entren en contacto con el chasis u otra superficie conductora quepudiera estar expuesta a una tensión. Para lo cual, se montan loscircuitos eléctricos en un chasis interno, aislado de la caja externadel equipo, de forma que el riesgo de shock es pequeño, auncuando en el chasis interno se produzcan fugas a tierra.Si la cajaexterna está hecha con material aislante, éste actúa como segundosistema de protección.

Toda leva, eje de control, o interruptor que atraviesa la barrerade aislamiento debe estar hecha de material aislante. El dobleaislamiento debe ser efectivo aun si se produce algún derramamientode liquido conductor en la superficie del aparato.

Algunos equipos, como los transductores de presiónempleados en la zona cardíaca, se construyen con triple aislamiento.

Ciertos catéteres se fabrican con paredes conductoras, con locual se pretende disminuir la densidad de corriente en la cercaníadel corazón.

INTERRUPCIÓN POR FALLAS EN EL SISTEMA DE TIERRAINTERRUPCIÓN POR FALLAS EN EL SISTEMA DE TIERRAINTERRUPCIÓN POR FALLAS EN EL SISTEMA DE TIERRAINTERRUPCIÓN POR FALLAS EN EL SISTEMA DE TIERRAINTERRUPCIÓN POR FALLAS EN EL SISTEMA DE TIERRASu acción consiste en interrumpir la alimentación, si se

detecta que la corriente que circula por el conductor de fasedifiere, en cierto valor predeterminado, de la corriente que circulapor el neutro. La corriente "diferencia" debe fluir forzosamentehacia tierra, ya sea a través de las fugas en el instrumento, ocuando un paciente toca simultáneamente la fase y la tierra.

Un tipo interruptor de protección es mostrado en la figura A9. Elsensor del sistema es un transformador diferencial, que no es másque un núcleo magnético en el cual se enrollan con el mismo númerode vueltas y en sentido contrario los conductores de fase y neutro.En el tercer devanado se induce una señal si se establece un flujomagnético diferencial, el cual es aplicado a la entrada del amplificador.

En equipos sin fuga, la corriente de fase If es igual a la corrientede neutro In. El flujo magnético generado en el núcleo por estasdos corrientes es igual y de sentido contrario, por lo tanto nulo. Enestas condiciones no se induce tensión en el tercer devanado, nose activa el amplificador, la bobina del relé no se energiza, elinterruptor de fase y neutro permanece cerrado y en el tomacorrientehabrá tensión.

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Si el conductor de fase es tocado por algún individuo o tienefugas, parte de la corriente es desviada a tierra. En este caso, lacorriente de fase If es mayor que la corriente en el neutro.

Figura. A.9. Interruptor por fallas en el sistema de tierra

En estas condiciones, se establece un flujo magnético diferencialen el núcleo del transformador. Se induce una tensión en la bobinade entrada del amplificador y se energiza la bobina del relé, quedesconecta la fase y el neutro del tomacorriente.

La velocidad de respuesta de este protector es inversamenteproporcional a la magnitud de la corriente de fuga a tierra. La figuraA 10 muestra la velocidad de respuesta en función de la corrientede fuga.

Este sistema se emplea en las instalaciones eléctricas de tresconductores. Es particularmente útil en áreas húmedas, como aquellasdonde se practica la hidroterapia. Cuando la corriente esinterrumpida debe accionarse manualmente un interruptor quereactiva el circuito. Para comprobar su buen funcionamiento, muchossistemas de protección tienen incorporado un pulsador que creauna falla a tierra intencional.

Este sistema de protección no es suficientemente sensible paraproteger los pacientes contra microshock. Por tal motivo, no debeinstalarse en áreas críticas donde la interrupción de energía eléctricapodría causar mas daño al paciente que la protección que se lepretende brindar.

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Figura A10. Tiempo de respuesta de interruptor de protección,en función de la corriente de fuga

EL TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTOEL TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTOEL TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTOEL TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTOEL TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTOEl conductor de tierra conectado a la caja exterior del equipo

provee un camino seguro para las corrientes de pérdidas. Si elconductor de fase entra en contacto con la caja del equipo, por élpueden circular corrientes muy intensas, limitadas únicamente porla capacidad de los fusibles o breakers. El conductor de tierra evitaque la tensión de la caja sea igual a de la fase.

El shock eléctrico se produce cuando el sujeto entra encontacto directo, o por medio de otros conductores, con la fasedel sistema de distribución.

Con el transformador de aislamiento esquematizado en la figuraA11, la fase y el neutro están aislados de tierra, de forma que si unade estas líneas entra en contacto con tierra, directamente o a travésdel sujeto, no podrá circular corriente. De hecho, la única corrienteque podría circular es la de fuga, que puede alcanzar algunosmiliamperios.

Si por accidente el conductor de fase entre en contacto con latierra, el transformador de aislamiento evita la producción chispas.Esta característica es importante en ambientes como los quirófanos,donde existen riesgos de incendio o explosión por la presenciade anestesia inflamable o exceso de oxígeno.

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El transformador de aislamiento es de uso obligatorio enquirófanos y en almacenes donde se guardan anestésicos u otrosgases y es recomendable su uso en áreas húmedas.

En estos ambientes, para prevenir descargas por corrientesestáticas, el personal, los equipos, las superficies conductoras ylos pisos que están hechos con un material conductor, debenconectarse a tierra.

Figura A11. Transformador de aislamiento

Esta precaución representa un riesgo adicional para los sujetosque toquen un aparato con fugas, ya que se les crea un camino dela corriente hacia tierra.

Los transformadores de aislamiento deben tener bajas fugas ybaja capacitancia entre el primario y el secundario(menor que 100pF)y deben ser instalados lo más cerca posible de la cama del paciente.

Su empleo presenta algunos inconvenientes; el incremento dela impedancia de la fuente, la limitada disponibilidad de potencia yson costosos.

La corriente de fuga, originada por la capacitancia entre elsecundario del transformador y tierra, impide que esta protecciónsea efectiva contra el microshock, por lo que no se justifica suuso para este propósito.

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AISLAMIENTO ÓPTICOAISLAMIENTO ÓPTICOAISLAMIENTO ÓPTICOAISLAMIENTO ÓPTICOAISLAMIENTO ÓPTICOEl empleo del interruptor por fallas a tierra y/o el transformador

de aislamiento, no evitan que pequeñas corrientes de fuga puedancircular por el paciente. El aislamiento óptico es un sistema deprotección que evita totalmente el contacto del paciente con elsistema eléctrico. El acoplamiento entre los conductores encontacto con el paciente y el resto del equipo se efectúa pormedio de un optoacoplador como se muestra en la figura A12.

El optoacoplador es un circuito integrado formado por undiodo emisor de luz (LED) y un fototransistor que actúa comoreceptor.Los datos provenientes del paciente son amplificados yconvertidos por el diodo en ondas luminosas. El fototransistorrecibe la señal y la transforma en corriente eléctrica que es enviadael equipo médico.

Figura A12. Circuito integrado de aislamiento óptico.

ALIMENTACIÓN CON PILASALIMENTACIÓN CON PILASALIMENTACIÓN CON PILASALIMENTACIÓN CON PILASALIMENTACIÓN CON PILASLas pilas recargables o normales, pueden emplearse para

alimentar los equipos portáliles, de bajo consumo, o las sondasintracorpóreas. Mediante su empleo se reduce consideramenteel riesgo del shock eléctrico.

MEDIDA DE LAS CORRIENTES DE FUGAMEDIDA DE LAS CORRIENTES DE FUGAMEDIDA DE LAS CORRIENTES DE FUGAMEDIDA DE LAS CORRIENTES DE FUGAMEDIDA DE LAS CORRIENTES DE FUGALos equipos médicos deben estar sujetos a programas de

mantenimiento periódico. La medida de la corriente de fuga debeestar incluida dentro de esos programas.

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La corriente de fuga fluye de la fase hacia el chasis delinstrumento. Es originada principalmente por las capacitanciasdistribuidas y en menor grado por la resistencia finita de los aislantesy por efecto inductivo. Las principales fuentes de fuga se producenen el conductor de alimentación de equipo, los filtros de la fuentede poder y el transformador de potencia

La corriente de fuga puede circular entre:La caja del instrumento y tierra.La caja del instrumento y la sonda del paciente.La fase y la sonda del paciente.

Figura A13. Tres medidas de corriente de fuga

Para verificar que la conexión a tierra está en buenas condicionesy que los instrumentos pueden emplearse con minimo riesgo, debenrealizarse las medidas mostradas en la figura A13.

El medidor es representado por un número. Así: (1) representa lamedida entre la caja del equipo y tierra, (2) entre la caja del equipo y lasonda de cada paciente y (3) entre la línea y la sonda de cada paciente.

El circuito empleado para medir la corriente de fuga para lascondiciones (1) y (2) podría ser el mostrado en la figura A14a,mientras que para la medida (3) se sugiere el circuito de la figuraA14b. El condensador con la resistencia en serie de 1Kohmio facilitanel paso de corrientes de alta frecuencia.

Con la medida (1), se comprueba que la operación del equipo

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es segura aún cuando el conductor de tierra, entre el equipo y eltomacorriente de la pared, se abre, o se eliminara intencionalmentela tierra.

Esta medida permite determinar la corriente que fluiría por elpaciente si estuviera “conectado” a tierra y tocara la caja del equipo.En este caso la corriente de fuga no debe exceder los 100uA.

Figura A14. Medidores de la corriente de fuga

La prueba (2), mide la corriente de fuga hacia la sonda delpaciente en el caso en que conductor de tierra se abra. Esta medidadebe realizarse con la sonda activada. La máxima corriente de fugapermitida es de 20 uA para pacientes en áreas críticas y 50 uA enotras áreas.

Las medidas anteriores deben realizarse bajo cuatro condiciones:Con el interruptor de línea encendido y apagado, y con la polaridadde línea normal e invertida. Una forma simple de realizar esta prueba,es mediante la sustitución de un adaptador de tres terminales poruno de dos terminales, con el cual se aísla la tierra y se inviertefácilmente la polaridad.

Más detalles de medición y valores permitidos se describen enlas siguientes publicaciones:

• National Electric Code, publicado en 1978• Advancement of Medical Instrumentation’s(AAMI) American National Standard de 1978.

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VERIFICACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICOVERIFICACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICOVERIFICACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICOVERIFICACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICOVERIFICACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICOLa verificación del sistema eléctrico de distribución, debe

realizarse con cierta regularidad de acuerdo a las normas deseguridad vigentes. Algunas de las técnicas que comprueban elbuen funcionamiento y la seguridad del sistema se describen acontinuación.

LOS TOMACORRIENTESLOS TOMACORRIENTESLOS TOMACORRIENTESLOS TOMACORRIENTESLOS TOMACORRIENTES Los contactos de los tomacorriente están hechos para soportar

una corriente y tensión máxima, que en ningún caso debenexcederse. No deben presentar roturas ni zonas quemadas. No essensato y representa un gran riesgo, conectar una carga queconsume 40 amperios en un tomacorriente capaz de soportar hasta15 amperios. Así, antes de conectar una carga, debe comprobarseque no excede su capacidad.

Los contactos entre el tomacorriente y el enchufe se mantienendebido a la fuerza que ejercen unas láminas conductoras flexiblescolocadas en cada borne del tomacorriente. Si las láminas ejercensuficiente presión, se establece un buen contacto. En caso contrario,el contacto es pobre y se recalienta, con lo que pierde flexibilidady empeora su calidad. Con el uso, los tomacorrientes van perdiendoadhesión y eficacia con lo que se originan chispas y recalentamiento.

Si la fuerza no es suficiente, existe la posibilidad de que el enchufese zafe con el solo peso del cable. Un mal contacto implica un riesgode incendio o que el aparato alimentado se quede sin energía.

La fuerza requerida para retirar el enchufe del tomacorriente esuna indicación de la calidad del contacto. La fuerza de retencióndebe ser por lo menos de 120 gramos por contacto, la cual puedeser medida por medio de un dinamómetro.

Generalmente los tomacorrientes y enchufes se clasifican entres categorías: de uso general, de servicio reforzado (heavy duty)y de uso hospitalario. La categoría es determinada por las pruebasque deben "pasar" de acuerdo a las normas UL 428 de la Standardfor Electrical Attachment Plugs and Receptacles.

Una prueba, por ejemplo, es la de sobrecarga, que se utilizapara ilustrar la diferencia entre las categorías

Los tomascorrientes y enchufes de uso general, se conecteny desconecten 50 veces con una carga 150% mayor que la normal.Pasan la prueba si no se produce falla eléctrica, calentamiento,

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alteración de la retención y no se producen “picaduras” ni desgasteen los contactos.

Los de servicio reforzado, se conectan y desconectan 250 vecescon una carga 200% mayor que la normal. Pasan la prueba si no seproducen las fallas anteriormente nombradas.

Los de uso hospitalario son unidades muy robustas sometidasa pruebas más rigurosas, como por ejemplo la desconexión muyrápida del enchufe. La retención de los contactos debe ser muchomayor y capaz de resistir el peso de los conductores del máximocalibre permitido. Cuando se montan, se identifican por tener escritohospital grade y un punto verde que los identifica una vez montados.

Al instalar tomacorrientes nuevos o sustituidos, debe verificarsesu cableado, es decir, la fase, el neutro y la tierra están conectadosen los borne adecuados, ya que es frecuente que en el proceso seinvierte algún conductor.

Si el tomacorriente tiene el borne de tierra en la parte superior,el borne derecho es el neutro y el izquierdo es la fase. El terminaldel neutro puede ser más grande que el de la fase. El terminal detierra debe ser el primero en hacer contacto cuando se inserta elenchufe y el último en desconectarse.

En el sistema de distribución de tres conductores, debenproducirse dos fallas simultáneas para que ocurra un shock. Porejemplo: el conductor de tierra abierto y la fase en contacto con lacaja del equipo.

El propósito de la prueba de polarización del tomacorriente esasegurar que el primer error no ocurra. Una forma simple y rápida paracomprobar el alambrado de un tomacorriente, es mediante el empleode un dispositivo de prueba como el mostrado en la figura A15.

El alambrado es correcto si el LED 1 y LED 3 se encienden,mientras que el LED 2 permanece apagado. Si el conductor de tierraestuviera abierto sólo el LED 1 encendería.

Si el neutro y la fase estuvieran invertidos se encendería LED 1y LED 2, mientras que el LED 3 permanece apagado. Este dispositivono prueba si el neutro y la tierra están invertidos.

Una de las pruebas para la identificación de los conductoresneutro y tierra es mostrada en la figura A16.

Para determinar si los conductores neutro y tierra estáninvertidos, se aplica una carga a un tomacorriente cercanoalimentado por el mismo circuito del tomacorriente que se desea

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probar. Con un osciloscopio conectado de la forma indicada, semide el voltaje en el neutro V1 y el voltaje en la tierra V2.

Si el tomacorriente está bien cableado la corriente de cargafluye únicamente entre la fase y el neutro, mientras que por elconductor de tierra sólo circulará una pequeña corriente de fuga.La mayor corriente que fluye por en neutro ocasionara una mayorseñal en el osciloscopio, así V1 será mayor que V2

Otra prueba que debe realizarse en los tomacorrientes es laverificación del voltaje de salida, especialmente en condiciones decarga. El voltaje debe ser adecuado a los requerimientos del equipoque se vaya a conectar. Se debe tener especial cuidado paradeterminar si el equipo es alimentado con sistema monofásico,bifásico o trifásico.

Figura A15. Dispositivo de prueba de las tomas de corriente.

Figura A16. Prueba para la identificación de los conductores de neutro y tierra

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PROGRAMA DE SEGURIDADPROGRAMA DE SEGURIDADPROGRAMA DE SEGURIDADPROGRAMA DE SEGURIDADPROGRAMA DE SEGURIDADEl departamento de ingeniería o de mantenimiento de los

hospitales y clínicas debe ser responsable del programa deseguridad. El programa debe atenerse a las normas establecidaspor cada país, por las institución y las suministradas por el fabricantede cada equipo.

Algunas de las normas generales de seguridad son las dereducir a un mínimo las corrientes de fuga a tierra y otras sonresumidas brevemente a continuación.

Los equipos que representan cierto riesgo deben seralimentados con conductor de tierra, estar provistos detransformador de aislamiento y estar construidos con doble chasisaislado el uno del otro. Secciones del equipo en contacto con elpaciente pueden estar alimentadas con pilas.

El máximo potencial permitido entre dos superficies conductorasexpuestas en la vecindad de un paciente no debe exceder de 0,5voltios y en áreas críticas 0,1 voltio.

Normalmente, los pacientes tienen contacto ocasional con losequipos eléctricos, mientras que en las áreas críticas el contactopuede ser permanente, por lo tanto, en éstas áreas toda superficieconductora en la vecindad del paciente debe estar conectada atierra en un punto único, donde también se “conecta el paciente”.Como medida de seguridad debe comprobarse periódicamente lacalidad de los contactos a tierra, incluido el del paciente.

En áreas de atención general, cada cama debe proveerse con cuatrotomacorrientes con tierra, alimentadas por dos circuitosindependientes. En áreas de atención crítica, cada cama debe estaprovista de por lo menos seis toma corrientes con tierra, alimentadaspor dos circuitos independientes. El conductor de tierra debe tenercapacidad para soportar la corriente que soporta el breaker del circuito.

Aquellos pacientes con marcapaso no deben estar expuestosa campos eléctricos y magnéticos, como los generados por motoreseléctricos, sistemas de ignición, electrocauterismo, diatérmia, hornosde microondas o equipos de resonancia megnética.

En general, puede afirmarse que la seguridad eléctrica en lasinstalaciones sanitarias puede obtenerse con costos moderados sise dispone de un buen sistema de distribución, de equipos biendiseñados, sometidos periódicamente a pruebas y de un personalbien entrenado.

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Términos médicosTérminos médicosTérminos médicosTérminos médicosTérminos médicos

APÉNDICE B

PPPPPara que los profesionales de diferentes disciplinas puedan"entenderse", es necesario que tengan los conocimiento y dominenlos términos propios de cada una de ellas. En el caso de laInstrumentación Biomédica, los ingenieros deben tener nocionesde fisiología, anatomía y conocer la terminología médica.

En este libro, se utilizan términos biomédicos que posiblementeno son familiares para el lector. Las fuentes de estas definicionesse pueden encontrar en la bibliografía y en la interpretación delpropio autor.

Generalmente, la terminología médica tiene su origen en el latíny el griego. La mayoría de las palabras constan de una raíz modificadapor un prefijo o por un sufijo, o por ambos.

PREFI JOS COMUNESPREFI JOS COMUNESPREFI JOS COMUNESPREFI JOS COMUNESPREFI JOS COMUNESLos términos médicos generalmente están formados por varios

componentes, uno de los cuales son los prefijos.Considérese la raíz «gástrica», que significa algo relacionado

con el estómago. Si se coloca el prefijo "epi", que significa arriba opor encima, se convierte en "epigástrica", con lo que expresa algoperteneciente a la región situada encima del estómago.

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Instrumentación biomédica / Apéndice B / Términos médicos

PrefijoPrefijoPrefijoPrefijoPrefijo SignificadoSignificadoSignificadoSignificadoSignificado EjemploEjemploEjemploEjemploEjemplo

a,ad proximidad adherenciaa,an privación adiaforesisab,abs separación abstinenciaAden glándula adenotomíaana sobre, separación análisis, anatomíaante delante anteojoanti contra antipiréticoartr articulación artrítisauto uno mismo automáticobi, bis dos bípedobio vida biologíableno mucosidad blenorreabradi lento bradicardiabronco tráquea bronconeumoníacaco-,caq malo cacofiníacardi corazón cardíaco, cardiogramacefa cabeza cefalalgiacondro cartílago condromalaciacian azul cianóticocircun alrededor circuncisióncito célula citologíademo pueblo demografíaderma piel dermatologíadia entre diartrosisdis- con, dificultad disenteríaen,endo dentro endocarpioenter intestino entéritisesteto pecho estetoscopioepi sobre epidermisend en el interior endoscopioetimo origen etimologíaetio causa etiologíaexo fuera de exógenofago comer fagocitofarmac medicamento farmacia, farmacopeafisi naturaleza física fisiologíafleb vena flebitis

La siguiente lista incluye algunos de los prefijos y su significado.

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fon voz, sonido foniátragastr vientre gastralgíageront viejo gerontologíaginec mujer ginecologíagluc dulce glucosa, glucógenohemi medio hemipléjicohemat sangre hematosis, hematologíahepat hígado hepáticohidr agua hidroterapiahiper exceso, superioridad hipertensiónhipno sueño hipnotizarhisto tejido histologíahipo debajo, inferioridad hipófisis, hipotensiónicter amarillez ictericiain, en privado de insalubreinfra debajo de infrarrojointer en medio de intercostalintra adentro intramuscularleuco blanco leucocitolit piedra litiasismacro grande macrocéfalomelan negro melanosismeso medio mesocarpiometeor en el aire meteorismomicr pequeño microbiomiel médula mielitismio músculo miocardiomorfo forma morfologíamulti numeroso multifracturanecro muerto necrologíanefr riñón nefrologíaneo nuevo neonatologíaneumo pulmón neumotórax, neumoníaneur nervio neurosis, neuralgianoso enfermedad nosografíaodonto diente odontólogooftalm ojo oftalmólogoorto recto, derecho ortopediaosteo hueso osteoblasto,

osteoporosiso t oído otitispan toda pandemia, panaceapara junto a, contra parásitopato enfermedad patologíaped niño pediatría

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peri alrededor peritoneo, pericardiopleur costado pleuritispod pie podómetropoli mucho poligamia, poliomielitispost después postoperatoriopre delante de precoz, prematuropro por, en vez de procreaciónpseudo supuesto seudomembranapsico alma sicologíaquiro,cir mano cirugíaradio rayo radiografía, radiologíare de nuevo repetición recaídaretro hacia atrás retraídosin,sim con sinartrosissomat cuerpo somáticosub bajo submaxilarsupra sobre suprarrenaltaqui rápido taquicardiaterm calor termómetrotoco parto tocologíatop lugar tópicotoxico veneno toxicologíatrans más transparente

SUFIJOSSUFIJOSSUFIJOSSUFIJOSSUFIJOS COMUNESCOMUNESCOMUNESCOMUNESCOMUNESLos sufijos en la terminología médica describen cierta condición

de una parte del cuerpo o una acción que involucra esa parte. Porejemplo, el sufijo "grama", precedido de la raiz "cardio", produce lapalabra «cardiograma»; o registro de la actividad cardíaca

Los siguientes sufijos son algunos de los más comunes enmedicina.

algia dolor neuralgiacele hernia onfalocelecentesis procedimiento quirúrgico amniocéntesisclisis irrigación, lavado venoclisiscoco tipo de bacteria estafilocococito célula fagocitodinia dolor pleurodiniaectasis estiramiento, dilatación bronquiectasiaectomia eliminación, extirpación gastrectomíagénesis condición de, formación cardiogénesis

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grama registro, gráfico electrocardiogramagrafo instrumento que registra electrógrafografía proceso de registro electroencefalografíaitis inflamación amigdalitis, artritislogia estudio de urologíalisis destrucción glicolisismalacia ablandamiento condromalaciamegalia agrandamiento cardiomegaliaoma tumor sarcomaopsia ver biopsiaosis degeneración artrosispatia enfermedad cardiopatíapepsia digestión dispepsiafagia comer, tragar aerofagia, polifagiafobia miedo claustrofobiaplasia desarrollo, formación neoplasiaplastia corrección quirúrgica retinoplastiapoiesis formación eritropoiesisptisis escupir, espetar hemoptisisragia pérdida de hemorragiarafia suturar neurorrafiarea flujo, descarga diarrearrexis ruptura cariorrexissclerosis endurecimiento arteriosclerosisscopio instrumento oftalmoscopioespasmo contracción muscular broncoespasmoostomia nueva abertura colostomíaterapia tratamiento quimioterapiatomo instrumento cortante microtomotomia ioncisión, seccionar gastrotomíatrofia nutrición, desarrollo atrofia

TÉRMINOS POSICIONALES Y DIRECCIONALESTÉRMINOS POSICIONALES Y DIRECCIONALESTÉRMINOS POSICIONALES Y DIRECCIONALESTÉRMINOS POSICIONALES Y DIRECCIONALESTÉRMINOS POSICIONALES Y DIRECCIONALES

Aferente Conducción hacia una estructuraEferente Conducción en sentido contrario de una estructuraVentral Parte anterior del cuerpoDorsal Parte posterior del cuerpoProfundo Alejado de la superficie del cuerpoSuperficial Cerca de la superficie corporalDistal Lejos del principio de una estructuraProximal Relacionado con el principio de una estructura

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Inferior Alejado de la cabezaSuperior Cerca de la cabezaLateral Concerniente a un ladoMedial Relacionado con el centroSupino Boca arribaProno Boca abajoPlano frontal Plano vertical, divide al cuerpo en anterior y

posterior.Plano sagital Plano vertical, divide al cuerpo en derecha e

izquierdaP Transverso Plano horizontal, divide al cuerpo en superior e

inferior

División anatómica posteriorDivisión anatómica posteriorDivisión anatómica posteriorDivisión anatómica posteriorDivisión anatómica posterior

Cervical Región del cuello (Siete vértebras cervicales)Torácica Pecho (Doce vértebras torácicas)Lumbar Flanco (Cinco vértebras lumbares)Sacra Sacro (Cinco vértebras fundidas)Coccígea Cóccix (Cuatro vértebras fundidas)

TÉRMINOS DE ANATOMÍA GENERALTÉRMINOS DE ANATOMÍA GENERALTÉRMINOS DE ANATOMÍA GENERALTÉRMINOS DE ANATOMÍA GENERALTÉRMINOS DE ANATOMÍA GENERALLos siguientes términos indican zonas o cavidades donde se

alojan órganos o vísceras..

CavidCavidCavidCavidCavidadadadadad OrganoOrganoOrganoOrganoOrganoCraneal CerebroTorácica Pulmones, corazón, traquea, aortaAbdominal Estómago, intestinos, bazo, bilis, hígado, páncreasPélvica Vesícula urinaria, uretra, uréter, útero, vaginaEspinal Nervios de la médula espinal

Por su localización, las cavidades craneal y espinal son llamadasdorsales, mientras que las torácica, abdominal y pélvicas sonventrales. Las cavidades torácicas y abdominales están separadaspor una estructura muscular; el diafragma.

Cavidad abdominalCavidad abdominalCavidad abdominalCavidad abdominalCavidad abdominalDe acuerdo a la topografía y a la estructura de los órganos, la

cavidad abdominal se subdivide en seis regiones anatómicas.

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Hipocondríaca Dos regiones laterales debajo de las costillasEpigástrica Región del estómagoLumbar Las dos regiones laterales centralesUmbilical Región del ombligoHipogástrica Región central inferior debajo del ombligoIlíaca o inguinal Las dos regiones laterales inferiores

TÉRMINOS DE USO GENERALTÉRMINOS DE USO GENERALTÉRMINOS DE USO GENERALTÉRMINOS DE USO GENERALTÉRMINOS DE USO GENERAL

Acetilcolina Éster reversible de ácido acético y colina de importantesfunciones fisiológicas como la transmisión de del impulsonervioso por la sinapsis.

Acidosis Ph de la sangre disminuido por escasez de bicarbonato.Alcalosis Ph de la sangre aumentado por exceso de bicarbonato.Auscultación Acción de escuchar los sonidos provenientes del

organismoAutónomo Que actúa independientemente de la voluntad.Cánula Tubo pequeño que se utilizado para insertarlo en una

cavidad del cuerpo o de un vaso sanguíneo.Cortical Relativo a, de, o que consta de corteza.Despolarizar Hacer que se obtenga una descarga total o parcial.Ectópico Situado lejos de la posición norma.Eferente Que se aleja del centro.Electrodo Dispositivo conductor utilizado para suministrar o

recoger corrientes provenientes del cuerpo.Estenosis Estrechamiento de un conducto.Electrolito Conductor eléctrico no metálico por el cual circula

corriente iónica.Embrión Descendiente humano o animal antes de salir del útero o del

huevo normalmente no completamente desarrollado.Galvánica Corriente continua normalmente suministrada por una

pila o fuente de poder.Heparina Ácido que se produce en los tejidos, especialmente en

el hígado o en forma artificial. Si se inyecta en eltorrente sanguíneo hace incoagulable la sangre.

Infarto Área de necrosis en un tejido u órgano producido porla obstrucción de la circulación que lo irriga.

Ion Átomo o grupo de átomos con carga eléctrica positiva onegativa por haber perdido o ganado uno o más electrones.

Isométrico Que tiene la misma longitud. Un músculo actúaisométricamente cuando ejerce una fuerza sin cambiarlongitud

368


Isquemia Anemia localizada debida a una obstrucciónde la circulación.

Latencia Retraso entre estímulo y respuesta.Lóbulo División de un órgano o parte algo redondeada.Membrana Fina capa de tejido que recubre o limita una superficie.Metabolismo Conjunto de procesos físicos y químicos mediante los

cuales se mantiene la materia viva.Miógrafo Aparato que registra la contracción muscular.Necrosis Muerte del tejido en áreas localizadas.Perfusión Derramar sobre o a través.Prótesis Sustituto artificial de una parte que se carece.Tejido Conjunto de células similares unidas para realizar

una función específica.Tórax Parte del cuerpo situada entre el cuello y el abdomen.

TÉRMINOS DEL SISTEMA CIRCULATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA CIRCULATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA CIRCULATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA CIRCULATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA CIRCULATORIO

Aorta

ArritmiaArteria

Arteriola

Arterias

Arterias coronarias

Aurícula derechaAurícula izquierdaAurículo ventricular

Bloqueo cardíaco

BradicardiaCiclo cardíaco

Vaso arterial que sale del corazón, lleva lasangre para distribuirla por el resto del cuerpomediante ramificaciones arteriales.Alteración temporal del ritmo cardíaco.Vaso por donde circula la sangre que se alejadel corazón.Pequeñas ramificaciones terminales de lasarterias que conducen a los capilares.Vasos sanguíneos de paredes gruesas queconducen la sangre oxigenada desde elcorazón hacia el resto del cuerpo.Vasos que derivan de la aorta e irrigan elcorazón.Su obstrucción conduce al infartoal miocardio.Cámara superior derecha del corazón.Cámara superior izquierda del corazón.Delimitación situada entre la aurícula y elventrículo del corazón.Anormalidad cardiaca manifestada por elretraso o interferencia en el mecanismo deconducción por lo cual los impulsos no sepropagan por todo el miocardio o por algunaparte importante de él.Ritmo cardíaco lento.Acción de relajación, llenado, contraccióny bombeo efectuada por el músculo cardíacocon duración de aproximadamente0,9 segundos.

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Capilares

Catéter

Circulación Pulmonar

Circulación sistémica

Defibrilación

Desfibrilador

Diástole

Embolo

Esfingmo-manómetro

Estenosis mitral

ExtrasístoleFibrilación

Haz de His

Infarto al miocardio

Miocardio

Nódulo sinoauricular

Paro cardíaco

Plestismografía

Vasos de paredes muy delgadas que unen lasarterias con las venas y llevan sangreoxigenada a las células del cuerpo.Instrumento médico tubular que insertado envasos, conductos o cavidades del organismopermite la inyección o extracción de fluidoso una vía de acceso.Sangre que impulsada por el corazón circulapor los pulmones para oxigenarse y regresaal corazón.Sangre que impulsada por el corazón circulapor todo el cuerpo para suministrarle oxígeno,alimentos y recoger los desechos metabólicos.Corrección mediante métodos artificiales dela fibrilación del corazón.Aparato eléctrico utilizado para detenerla fibrilación.Una de las dos fases del latido cardíaco.Ocurre cuando las paredes del miocardio se relajany la sangre fluye por las venas hacia el corazón.Partícula anormal de aire, coágulo o grasaen circulación por la sangre.Instrumento empleado para medir la presiónsanguínea,especialmente la presión arterial.Estrechamiento de orificio aurículoventricularizquierdo.Contracción prematura del corazón.Contracciones espontáneas, irregulares,asíncronas y muy rápidas de las fibrasmusculares cardíacas.Pequeño haz de fibras musculares cardíacasque transmiten las ondas de despolarizacióndesde las aurículas a los ventrículos durantela contracción cardíaca.Se puede producir si las arterias coronarias seobstruyen por un coágulo.Musculatura del corazón que actúa en lafunción de bombeo de la sangre.Marcapasos del corazón o agrupación defibras musculares cardíacas responsable deiniciar cada ciclo de la contracción cardíacas.Detención momentánea o permanentede los latidos del corazón.Registro de los cambios de volumen de unaparte del organismo debido a la circulaciónde la sangre.

370


Diferencia entre la presión sistólica ydiastólica.Una de las dos fases del latido cardíaco.Ocurre cuando las paredes del miocardio secontraen e impulsan la sangre hacia la aorta yla arteria pulmonar.Válvula de salida que comunica el ventrículoizquierdo con la aorta.Válvula situada entre la aurícula y elventrículo izquierdo del corazón.Válvula de salida del ventrículo derecho a laarteria pulmonar.Válvula situada entre la aurículay el ventrículo derecho.Estrechamiento de la luz de los vasossanguíneos.Dilatación de la luz de los vasos sanguíneos.Relacionado con la musculatura que afectala luz de los vasos sanguíneos.Vasos de paredes más delgadas que lasarterias, que conducen sangre con desechosmetabólicos provenientes de los tejidos haciael corazón.Cámara inferior derecha del corazón queimpulsa la sangre hacia los pulmones.Cámara inferior izquierda del corazón queimpulsa la sangre por el resto del cuerpo.Vena pequeña que conecta una vena mayorcon los capilares.

Pulso de presión

Sístole

Válvula aórtica

Válvula mitral

Válvula semilunar

Válvula tricúspide

Vasocostricción

VasodilataciónVasomotor

Venas

Ventrículo derecho

Ventrículo izquierdo

Vénula

TÉRMINOS DEL SISTEMA RESPIRATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA RESPIRATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA RESPIRATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA RESPIRATORIOTÉRMINOS DEL SISTEMA RESPIRATORIOSacos de aire situados en los pulmonesformados por terminales de los bronquíolos.Insuficiencia de oxigeno para mantener la vida.Parte superior del pulmón.Ausencia de respiración.Colapso pulmonar.Volumen de gas remanente en los pulmonesdespués de la espiración en reposo.Volumen máximo de aire que se inspirara partir del reposo.Volumen de aire contenido en el pulmón alfinal de la inspiración total máxima.Volumen de aire que se puede exhalardespués de la inhalación máxima posible.

Alvéolos

AnoxiaApiceApneaAtelectasia pulmonarCapacidad funcionalresidualCapacidadinspiratoriaCapacidad pulmonar

Capacidad vital

371

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Saco sin aire que contiene líquido pleural.Centro nervioso que controla la respiración,situado en la médula oblonga.Dificultad respiratoria.Area central por donde entran y salen losvasos sanguíneos, nervios y bronquios.Respiración profunda, prolongada y rápida deforma anormal.Ventilación debajo de la cantidad normal.Falta de oxígeno.Instrumento que registra los cambiosde volumen torácico durante la respiración.Compuesto de oxígeno y hemoglobinaformado en los pulmones. Es el medio quetransporta el oxígeno a los tejidos.Los pulmones se subdividen en lóbulos;el derecho formado por tres lóbulosy el izquierdo por dos.Pared gruesa que separa ambos hemitoraxy que aloja el corazón la tráquea, esófago,aorta, bronquios, etc.Membrana que envuelve los pulmonesPresión del oxígeno contenido en el aire. El airecontiene aproximadamente el 21% deoxígeno. Su presión parcial es el 21% de 760mde Hg, o sea 159mm. Por lo tanto, el oxígenopuro se puede suministrar a 159 mm de Hg, loque equivale a respirar aire a nivel del mar.Es el aire aspirado y espirado de lospulmones.Intercambio de gases; oxígeno y dióxido decarbono, a nivel celular.Conducto principal por donde circula el airede los pulmones.Volumen de aire que se puede espirar a partirde el punto final de una espiración en reposo.Volumen máximo de aire que se puedeinspirar a partir del punto final de lainspiración.

Volumen de aire respirado por minuto.Volumen de aire que queda en los pulmonesdespués de una exhalación profunda.

Cavidad pleuralCentro respiratorio

DisneaHilio

Hiperventilación

HipoventilaciónHipoxiaNeumógrafo

Oxihemoglobina

Lóbulo

Mediastino

PleuraPresión parcial deOxígeno

Respiración externa

Respiración interna

Tráquea

Volumen espiratoriode reservaVolumen inspiratoriode reserva

Volumen pulmonarpor minutoVolumen residual

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Existen dos procesos involucrados en la respiración, larespiración externa y la interna. En la externa, el aire inhalado pasapor la nariz, faringe, laringe y tráquea. La tráquea se divide en dosbronquios, cada uno de los cuales lleva el aire a cada pulmón. Losbronquios se ramifican en bronquiolos, los cuales terminan en sacosde aire llamados alvéolos. El inicio de la respiración interna comienzaen los alvéolos, donde se produce el intercambio de gases. Losalvéolos se enriquecen de dióxido de carbono que luego esexpirado. La membrana de los alvéolos es muy delgada, del ordende los 0.001 mm.

TÉRMINOS DEL SISTEMA NERVIOSOTÉRMINOS DEL SISTEMA NERVIOSOTÉRMINOS DEL SISTEMA NERVIOSOTÉRMINOS DEL SISTEMA NERVIOSOTÉRMINOS DEL SISTEMA NERVIOSO

Acetilcolina Éter reversible de ácido acético y colina deimportantes funciones fisiológicas como latransmisión del impulso nervioso por lasinapsis.

Aferente Que transmite el impulso nervioso hacia elcerebro.

Anaerobio Crecimiento en ausencia de oxígenomolecular.

Aracnoides Una de las tres meninges situada entre laduramadre y la piamadre. Se llama así porquesu estructura asemeja a una telaraña.

Axón Prolongación única, normalmente larga, de lacélula nerviosa que conduce impulsosnerviosos.

Barorreceptores Nervios receptores sensibles a la presiónsanguínea cuyos terminales se encuentran enlos vasos, especialmente en el senocarotídeo.

Cerebelo Centro nervioso del encéfalo que ocupa laparte posterior de la cavidad craneana.Regula la coordinación de los movimientosmusculares y es el centro del equilibrio.

Duramadre Membrana exterior muy resistente y elásticadel aparato cerebroespinal.

Encéfalo Conjunto de órganos nerviosos (cerebro,cerebelo y bulbo raquídeo) contenidos en lacavidad del cráneo.

Epilepsia Alteraciones de los ritmos eléctricos propiosdel sistema nervioso central. Se manifiestangeneralmente por una serie de ataquesconvulsivos y con pérdida de conciencia.

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Ganglio Cualquier agrupación de células nerviosasfuera del sistema nervioso central que actúacomo centro.

Hipotálamo Centro de control de la temperatura, elapetito, la sed, el sueño, las sensaciones y elsexo.

Meninge Capa protectora formada por tres membranasque envuelve el encéfalo y la médula espinal.Las tres meninges son la duramadre,la aracnoides y la piamadre.

Mielina Sustancia grasa que recubre ciertas fibrasnerviosas.

Nervio Organo en forma de cordón blanquecino queconduce los impulsos nerviosos de un puntoa otro del organismo. Consta de fibrasnerviosas eferentes y aferentes o de ambos tipos.

Neurona Célula nerviosa considerada como la unidadfundamental del sistema nervioso.

Nódulos de Ranvier Estrechamientos de la vaina de mielina de unafibra nerviosa que se producen a intervalosde aproximadamente 1mm.

Piamadre Membrana interna serosa, suave y delicadaque cubre el encéfalo y la médula.

Sistema nerviosocentral Sistema formado por el encéfalo

y la médula espinal.Sistema nerviosoperiférico Formado principalmente por los nervios

sensores y motores que invaden casi todoel cuerpo.

Tálamo Zona donde se reciben y procesan losimpulsos sensoriales.

374


375

Alvaro Tucci R.

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Instrumentacion Biomedica - Alvaro Tucci