Electromedicina e Instrumentación Biomédica

Presentación del tema: "Electromedicina e Instrumentación Biomédica"— Transcripción de la presentación:

1 Electromedicina e Instrumentación Biomédica
Unidad 2. Sensores y Principios básicos

2 Contenido 2.1 Los potenciales bioeléctricos.
2.2 Medición de eventos fisiológicos. 2.3 Características y propiedades de los sensores empleados en la medición de eventos fisiológicos

3 Origen de los eventos bioeléctricos
Aunque las señales bioeléctricas provenientes de las distintas células varían considerablemente en amplitud y forma, todas tienen un origen común en el potencial transmembrana, que es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre el interior y el exterior de la célula. El límite funcional de las células biológicas es una delgada estructura (aprox. 10 nm) formada por lípidos y proteínas, llamada membrana celular. Las fuerzas electroquímicas a través de esta membrana regulan el intercambio químico celular. El medio dentro de la célula (plasma) y fuera de ella (líquido intersticial) está compuesto principalmente por agua conteniendo varios iones. La diferencia de concentración de iones dentro y fuera de la célula produce una fuerza de origen electroquímico sobre la membrana. La membrana es un dieléctrico semipermeable que permite el intercambio selectivo de iones. Bajo condiciones de equilibrio electroquímico (no existe fuerza neta en ninguna dirección existirá el potencial transmembrana dado por la ecuación de Nernst.

4 Origen de los eventos bioeléctricos (2)
En estado de reposo, las células musculares y nerviosas mantienen un potencial de membrana de alrededor de -60 a -90 mV, con el interior negativo respecto del exterior. Con estos potenciales transmembrana y considerando el pequeño espesor de la membrana (aprox. 10 nm) se observa que el campo eléctrico a través de la misma es enorme (del orden de 10 MV/m). La membrana es semipermeable; es decir, es un dieléctrico con pérdidas que permite el pasaje de ciertos iones. La permeabilidad iónica varía sustancialmente de una especie iónica a otra. Los canales iónicos en la membrana excitable variarán su permeabilidad en respuesta al potencial transmembrana; esta propiedad distingue la membrana excitable de la membrana celular común, proveyendo el soporte para la propagación de los impulsos nerviosas. Como anécdota, se puede agregar que la electrodinámica de la membrana nerviosa fue descripta en detalle por primera vez en el trabajo premiado con el Nobel de Hodgkin y Huxley (1952). En respuesta a estímulos de adecuada intensidad se produce un fenómeno llamado "despolarización" en el que varía la diferencia de potencial transmembrana debido al pasaje selectivo de cargas (iones) a través de la misma. Este fenómeno es la base de la transmisión eléctrica en los seres vivos y el origen de las señales bioeléctricas que se registran y analizan clínicamente.

5 EL POTENCIAL DE MEMBRANA
Es importante distinguir un sistema “en equilibrio” de aquel que no lo está: Si tenemos dos compartimientos separados por una membrana y ambos tienen concentraciones desiguales de un soluto no cargado (ej.: sacarosa), el sistema no estará en equilibrio. La fuerza impulsora que movilizará al soluto será la diferencia de potencial químico que hay entre los dos compartimientos. Si las movilidades del Cl- y el K+ en las soluciones son consideradas iguales y la permeabilidad de ambos iones en la membrana también es igual, se observará un movimiento de K+ y Cl- desde (2) a (1) sin que se genere una separación de cargas. El hecho de que ambos iones estén en igualdad de condiciones para atravesar la membrana impide que se genere una diferencia de potencial entre el compartimiento (1) y el (2).(figura A) Pero si la permeabilidad al Cl- de la membrana es mayor que la permeabilidad al K-, aparecerá una diferencia de potencial transmembrana con el lado (1) negativo, ya que a los iones Cl- les resultará más fácil atravesar la membrana (figura B). Si el K, fuera más permeable que el Cl-, el (1) aparecerá como positivo. Esta diferencia de potencial que surge como consecuencia de la existencia de un gradiente de concentración a ambos lados de la membrana y a que ésta no sea igualmente permeable al Cl- que al K+ recibe el nombre de potencial de difusión.

6 Ecuación de Nernst Permite calcular la diferencia de potencial que se obtendrá a ambos lados de una membrana, tanto si existiera una diferencia de concentración para un Ion dado como si éste se encontrara en equilibrio electroquímico.

7 Equilibrio Donnan Consideremos dos compartimientos: 1 y 2, separados por una membrana que ahora no discrimina al Cl- del K+ pero que es impermeable a un determinado anión A. En el lado (1) tenemos KCl y en el lado (2) K+ acompañado con un anión no permeable A-. Ambos compartimientos tienen igual concentración inicial (ver figura A). Un ejemplo de un anión no permeable es una proteína, que es una macromolécula con carga negativa al pH intracelular y que no puede difundir. Debido a la existencia de un gradiente químico para el mismo habrá un pasaje de Cl- desde 1 hacia 2. Esto genera un potencial de difusión (lado 2 negativo) que induce un pasaje de K- en la misma dirección (ver figura B). Por el principio de electro neutralidad sabemos que al llegar al equilibrio el número total de cargas positivas debe ser igual al número total de cargas negativas en cada compartimiento. Por lo tanto, para que la electro neutralidad se cumpla en nuestro sistema, en la solución 1 tendremos: y en la solución 2:

8 Equilibrio Donnan (2) Esta ecuación es conocida como relación de Donnan y al potencial asociado se lo conoce como potencial de equilibrio Donnan Con ella es posible calcular el voltaje de membrana que se ha desarrollado en un equilibrio Donnan. En el caso de una célula, el potencial de membrana toma valores que no son los valores de un equilibrio. Esto implica la existencia de sistemas que, con gasto de Energía, le permiten a la célula el mantenimiento de una situación de estado estacionario.

9 Esquema eléctrico de la membrana celular
La membrana celular es un sistema formado por resistencias (canales) y capacitores (la bicapa lipídica) en paralelo. Cada canal es selectivo a un determinado Ion: Na+, K+, Cl-, Ca2+. La diferencia de potencial que "ve" cada canal es proporcional a la diferencia de concentración que existe para ese Ion entre ambos lados de la membrana. Esta diferencia de concentración puede ser esquematizada como una pila o batería. El potencial que se observará a través de la membrana resultará del número de canales abiertos y de la permeabilidad relativa de ellos.

10 Potencial de membrana de un nervio
La figura muestra la respuesta del potencial de membrana de un nervio cuando se aplica un pulso cuadrado de corriente durante un segundo. En este tiempo, el potencial de reposo es alrededor de -45 mV La corriente aplicada a través del micro electrodo produce una despolarización debido a que cargas positivas pasan del exterior al interior de la célula. A pesar de que el pulso de la corriente se inyecta casi instantáneamente a partir de t = 0, al potencial le lleva casi un segundo alcanzar su valor final de aproximadamente -38 mV También se observa que al finalizar el pulso de corriente, el potencial tampoco regresa a su valor de reposo en forma instantánea sino tras un cierto período.

11 Potencial de Acción El potencial de acción teórico u y los cambios en la conducción iónica de la membrana para el sodio (gNa) y el potasio (gK) se obtienen solucionando las ecuaciones diferenciales desarrolladas por Hodgkin y Huxley. ENa y EK son los potenciales de equilibrio de Nernst para el sodio y el potasio a través de la membrana.

12 Bomba de Na-K En el caso de una célula, el potencial de membrana toma valores que no son los valores de un equilibrio, lo cual implica la existencia de sistemas que, con consumo de energía, le permiten a la célula mantener una situación de estado estacionario. Si se detiene la actividad metabólica celular el potencial de membrana llega a un valor de equilibrio de tipo Donnan al cabo de un cierto tiempo, debido a la presencia de macromoléculas con carga negativa no difusibles en el interior celular. Cuando explicamos este equilibrio no consideramos la permeabilidad al agua de la membrana o del endotelio y cómo es afectada por la asimetría iónica. Es importante observar que mientras que en un compartimiento tenemos: Concentración total de solutos en ( 1) [K+] 1+[Cl-] 1 Concentración total de solutos en (2) [K+] 2+[Cl-] 2 + [A-] Este gradiente de concentración de solutos impulsará un flujo osmótico si no existieran mecanismos que lo contrarrestaran. En el interior de una célula existen proteínas y nucleótidos que actúan como aniones impermeables generando un efecto Donnan que induce la entrada de agua si este fenómeno no fuera contrarrestado por la salida de iones producto de la actividad de la Na+ - K+ ATPasa. En los capilares también se produce un equilibrio Donnan debido a que la mayoría de las proteínas de la sangre son impermeables. Esto resulta en una concentración de Na+ plasmática ligeramente mayor a la de Na+ intersticial y una concentración de Cl- plasmática ligeramente menor a la del intersticio ya que se cumple: Concentración en el intersticio = [K+]i + [Cl-]i Concentración en el plasma = [K+]p + [Cl-]p + [P-] El gradiente osmótico resultante tiende a movilizar agua hacia el interior del capilar, si no hubiera un mecanismo que contrarrestara, como lo es la presión hidrostática dentro del capilar derivada de la energía de la contracción cardiaca.

13 Bibliografía Barea Navarro.R. “Tema 1: Introducción y Conceptos Básicos de la Instrumentación Biomédica”. Bronzino,J.D. (Editor) “The Biomedical Engineering Handbook, 2nd Ed. IEEE Press, 2000 Del Aguila, C. “Electromedicina” Ed. Hasa, 1994 Enderle, J.; Blanchard,S. y Bronzino, J.D. “Introduction to Biomedical Engineering”, Academic Press, 2000 Guyton. “Fisiología” Webster, J.G. (Editor); Clark,J.W. y Neuman,M.R. “Medical Instrumentation: Application and Design” 3ra edición, 1997 Webster, J.G. (Editor) “BioInstrumentation”, 2003, en Internet: