Bioelectrónica

Abstract—Con el pasar del tiempo la electronica se a convertido en el pilar fundamental del avanse de la tecnologia llegandose a crear aparatos o dispositivos capaces de facilitar el trabajo de las personas y ayudar en el desempeño de las mismas, estos avances tegnologicos an dado lugar a la Bioelectronica que es la combinacion de la medicina y la electronica que da lugar a la creacion de instrumentos que ayuden a mejorar la salud de las personas, estos instrumentos deber ser capaces de detectar, diagnosticar y tratar las emfermedades fisiologicas que al serhumano aqueja.

Index Terms—Bioelectronica, fisiologia, señales

I. INTRODUCCION

En el desarrollo de este documento haremos un estudio del arte en materia de Bioelectronica mostrando los ultimos avances y haciendo enfasis en la instrumentacion electronica medica, que abarca muchos campos de la medicina actual, daremos a conocer lo mas actual en desarrollo tecnologico para la deteccion de enfermedades entre las cuales podemos citar las maquinas de rayos X, monitores cardiacos, desfibriladores, resonancia magnetica, tomografos, etc., todos estos creados en base a la electronica y los requerimientos medicos. Estos instrumentos medicos se basan en el desarrollo de circuitos integrados cada ves mas avanzados estos acompañados con sistemas de comunicacion basados en señales bioelectricas que son parecidas a las señales omitidas por membranas celulares en el interior del cuerpo humano, estos circuitos integrados o microcontroladores pueden ser programados segun las necesidades que se quiera tener en un instrumento medico, la comunicacion entre instrumentos bioelectricos y pasientes se basa principalmente en señales bioelectricas que daremos a conocer concretamente en el transcurso de este documento. En si la Bioelectronica se a combertido en una herramienta fundamental para el desarrollo de nuevos instrumentos de procedimiento medico que requieran alta presicion, que sean seguros, y eficases al momento de intervenir en un paciente.

II. SEÑALES BIOELECTRICAS

Las señales bioelectricas producidas por membranas celulares en el interior de l cuerpo son parecidas a las señales que producen un microchip que es el componente principal en la fabricasion de instrumentos para ayudar en la deteccion de emfermedades. Dichas señales Bioelectricas producidas por las membranas celulares podrian llevar imformacion y estas pueden ser transmitidas a un equipo que procese estas señales y entregar un imforme completo sobre la actividad celular y advertir de posibles problemas. Estas señales pueden ser transmitidas mediante electrodos colocados en diferentes partes del cuerpo para proporcionar informacion sobre la actividad celular en nuestro cuerpo.

III. CAMPOS QUE ABARCA LA BIOELECTRONICA

La Bioelectronica esta relacionada con otras ciencias principalmente de la biologia de ahi su nombre, que principalmente trata de desarrollar instrumentos que ayuden e la deteccion de enfermedades y asi mejorar la calida de vida de las persona, pero tenmos otras ciencias que nos ayudan en este desarrollo como la Electronica, Robotica, Nanotecnologia y la Mecanica que en conjunto forman una gran relacion para el desarrollo eh investigacion de dichos instrumentos, a continuacion presentamos un breve resumen de cada una de estas rama de la Bioelectronica:

3.1 Electronica

Es la rama en donde se desarrollan, microchips o circuitos integrados inteligentes capaces de recibir, procesar y enviar datos. Estos microchips se ah convertido en la pieza fundamental de los instrumentos medicos para que estos funcionen correctament segun las necesidades.

3.2 Robotica

Se encarga del desarrollo de robots metalicos de alta precision que podrian interactuar con un paciente, tambien se encarga del desarrollo de protesis que se adapten al cuerpo.

3.3 Nanotecnologia

Es la creacion de materiales y medicamentos de muy reducido tamaño (nanoescala), que pueden ser introducidos en el cuerpo humano y actuar como un agente detector de emfermedades y al mismo tiempo eliminarlos.

3.4 Mecanica

Se ancarga de la parte fisica o armazon de los intrumentos medicos que bayan acorde segun las necesidades.

Figure 1. Relacion de la Bioelectronica con otras Ciencias

IV. APLICACIONES DE LA BIOELECRONICA

4.1 Chips Bajo la Piel

La implantacion de microchips bajo la piel se a convertido en una de las aplicaiones futuristas de la Bioelectronica, pero en la acualidad ya se usa esto como una forma de identificacion.

A una persona se le implanta el el chip en el interior de su cuerpo, estos llevan la informacion basica de la persona ademas de un historial medico, al pasar la persona por un scanner este detecta el chip en el interior y da un informe completo del estado de la persona. Estos microchips pueden ser implantados en personas que sufran de alguna enfermedad relacionada con su memoria.

Figure 2. Microchip

Estos microchips tambien tienen la capacidad de ser detectados via satelite por algun dispositivo movil, computador o radar e inmediatamente saber el lugar exacto en donde se encuentra esa persona que lleva implantado el chip. En el futuro esta tecnologia puede ser utilizada en las carceles de todo el mundo como forma de identificacion y principalmente de que al momento que se produsca una fuga de internos estos puedan ser recapturados facilmente sabiendo su posicion via satelite, una idea muy novedosa para aplicar esta tecnologia.iI

4.2 Implantes

Los implantes hacen referencia a dispositivos creados por el hombre con la finalidad de suplantar a algun organo dañado en el interior del cuerpo humano, estos dispositivos tendrian la capacidad de realizar las mismas funciones que un organo realice o mejorar su rendimiento ya sea utilizando estructuras biologicas creadas por el hombre y que se asimilan a las estructuras biologicas propias del cuerpo humano, estas estructuras podrian ser controladas por microchips y estos a su ves controladas por impulsos electricos producidas por musculos del cuerpo. Dichas estructuras biologicas arificiales tambien tendrian la capacidad de ser controladas mediante instrumentacion medica creada en base a la electronica.

4.2.1 Implantes de Corazon, Marcapasos: El marcapasos es un instrumento o aparato electronico creado por el hombre que hace latir el corazon o mas concretamente que genera impulsos electricos que exitan ritmicamente al corazon artificialmente, estos marcapasos se utilizan cuando los impulsos ritmicos propios del corazon ya no tienen la capacidad de mantener el ritmo cardiaco natural haciendo que la sangre ya no llegue al resto del cuerpo.

4.2.1.1 Funcionamiento: El primer marcapasos creado era asincrono, sto quiere decir que la estimulacion electrica se realizaba a frecuencias constantes, lo que trajo algunos problemas como desgaste constante de las baterias, el flujo de la sangre al cuerpo no dependia del ejercicio y podria causar fibrilacion o algun paro cardiaco inesperado. Pero con el pasar del tiempo estos marcapasos ya tenian la capacidad de detectar las excitaciones ritmicas naturales del corazon haciendo que el sistema de excitacion ritmica artificial entre en funcionamiento cuando sea necesario, dichos marcapasos tienen el nombre de sincronos.

Figure 3. Estructura Fisica de un Marcapasos

Figure 4. Marcapasos Implantado en el Interior del Cuerpo Humano

Las posibles configuraciones para los marcapasos se pueden clasificar segun en que compartimientos del corazon puedan sensar y estimular, los llamados unicameral que trabajan en la auricula o en la ventricula, y las llamadas bicamerales como su nombre lo indica trabajan en ambos compartimientos.

En los marcapasos se utilizan conbinaciones de letras para indicar el lugar de funcionamiento, como les describiremos a continuacion, se utiliza la letra A para decir que estimula en la auricula, se utiliza la letra V paras decir que estimula en el ventriculo, y se utiliza una letra D esta quiere decir que estimula en ambas compartimientos, asi como tambien utiliza otra letra para indicar ahora el lugar en donde se sensa, por ejemplo tebenos el marcapasos VA:, esta configuracion de dos letras nos indica que este sensa en la auricula y estimula en la ventricula, y estos tipos de marcapasos se utilizan por lo general cuando en el corazon de una persona no existe comunicacion entre la ventricula y la auricula.

La frecuencia de estimulacion es un punto muy importante en el desarrollo de marcapasos, estos nos indica principalmente que se busca una conexion adecuada entre el marcapasos natural del cuerpo humano y el marcapasos artificial, para que estos funcionen de acuerdo a las necedidades de estimulacion para posteriormente implantarlo en el marcapasos artificial y esta funcione de acuerdo a los impulsos requeridos. Una de las maneras de con seguir esto, es medir la impedancia entre el encapsulado del marcapasos y los electrodos conectados al corazon, otro de los metodos para realizar esto es colocar un acelerometro dentro del marcapasos y en base a esto medir la actividad corporal necesaria para el corazon.

Figure 5. Marcapasos Representado Mediante un Diagrama de Bloques

Para realizar las mediciones de las impedancias que se mencionaron en la seccion anterior, tenemos la posibilidad de usar 3 electrodos con la cual se puede realizar las mediciones correspondientes, uno de los electrodos es el propio encapsulado y los otros dos electrodos pueden ser leads unipolares, las señales que se manejan para realizar las mediciones de amplitud y frecuencia, estas amplitudes son del orden del 5% del umbral de estipulacion cardiaca. Para que le marcapasos realize su trabajo correctamente y el corazon pueda satisfacer la demanda de sangre, esto se lo puede controlar detectando la actividad en la auricula y respetando los retardos naturales del corazon al aplicarse diversas estimulaciones al ventriculo, para detectar la actividad en la auricula podemos realizarlo de dos maneras, una de estas maneras es colocar un lead en la auricula y posteriormente detectar su actividad, y otra de las meneras de detectar la actividad en la auricula es colocar un lead en el ventriculo con una carateristica especial que le hace diferente al de la auricula, este lead mencionado tendria la capacidad de detectar actividad en la auricula.

Cuando el ritmo cardiaco del cuerpo aumenta tambien lo hace el metabolismo, y el aumento de esta frecuencia cardiaca trasporta mas oxigeno al cuerpo y la sangre se vuelve mas acida, este sistema esta compuesto por un electrodo en el marcapasos, y un segundo electrodo que es sensible al PH en la auricul, estos dos electrodos actuan cuando dentro del corazon especificamente en la auricula, se detecta una variacion del PH en la sangre con lo cual el sistema actua inmediatamente acomodando la frecuancia cardiaca y haciendo que el corazon entregue la sangre necesaria al cuerpo.

4.2.1.2 Sistemas de Control: El sistema de control en el macapsos es el encargado de procesar las señales que son adquiridas y posteriormente tomar una decision, estos sistemas de control pueden dividirse de dos maneras, sistemas de control Open Loop, y sistemas de control Close opp.

El primer sistema de control se utiliza cuando el lugar que es censado no interviene con las tareas que puede cumplir un marcapasos, estos sitemas tienen una caracteristica principal que son faciles de implementar. El otro sistema de control Close Loop es utilizado en areas que son afectadas o que tienen poco ritmo cardiaco, con la finalidad de implantar realimentacion negativa.

Una de las partes mas importantes de estos sistemas son los acelerometros que ya fueron descritos anteriormente y que no afectan en lo absoluto al parametro medico, un ejemplo de esto es medir la temperatura de la sangre pero esto es independiente de la actividad cardiaca. Los sistemas close loop tienen que ver con las señales o sistemas respiratorios, estas señales trabajan en conjunto con otras señales para evitar conplicaciones, otras eñales que pueden ser implementadas como sistemas close loop, son las que tienen que ver con el sistema ritmico cardiaco, dichos sistemas ya existen en la actualidad que describen el funcionamiento del marcapasos.

En el desarrollo de los marcapasos tiene que ver mucho la electronica analogica como punto de partida, ya que esta es la parte principal en la creacion de dispositivos que ayuden a mejorar la salud de las personas. Con el rapido avance de la tecnologia se a llegado a crear dispositivos que funcionen en completa armonia con el sistema biologico del ser humano. Los dispositivos usados en estos circuitos son basicamente amplificadores operacionales que con diversas configuraciones pueden convertirse en filtros que pueden trabajar a diferentes frecuencias, con bajo consumo de corriente, estos dispositivos tienen la capacidad de entregar señales requeridas a partir de una señal aplicada a su ingreso lo que le hace una herramienta muy indispensable en la creacion de los marcapasos.

En la fig.6 podemos ver un ejemplo claro de un circuito que se utiliza en estos dispositivos, se puede apreciar claramente que se utiliza dispositivos electronicos como generadores de señales requeridas.

Figure 6. Filtro Pasabanda

V. CONCLUSIONES

La Bioelectronica se a convertido en uno de los temas con mayor proyeccion futurista porque implica el desarrollo de instrumentos que faciliten el procedimiento medico y que ayuda a la deteccion de enfermedades y posteriormente a la cura de estos. En este documento dimos a conocer dos aplicaciones muy importantes de la bioelectronica en tema de identificacion y salud, y que pueden ser a futuro muy utiles para la vida cotidiana. Se a dado una explicacion basica de cada aplicacion, por tratarse de temas muy complejos pero que a la larga puede implementarse con mucha mayor investigacion, una de las partes mas importantes de este documento es el desarrollo de los marcapasos ya que es un instrumento muy novedoso y que ayuda a las personas con los problemas cardiacos, uno de las primeras causas de muerte en el mundo pero que a fin se logra solucionar con la implementacion de estos instrumentos.

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Autor:

Cristian Junior Campoverde Alvarado

Universidad Politecnica Salesiana (Sede Cuenca)