el sistema hombre instrumento

Recopilado, Adaptado y Formateado por Ignacio Franco Torres Página 1

FACULTAD DE INGENIERIA

ELÉCTRICA

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO

Nombre de la materia: BIOELECTRONICA I Clave: IA3010-T No. De horas / semana: 3 Duración semanas: 16 Total de Horas: 48 No de créditos: 6 Prerrequisitos IA3001-T (INSTRUMENTACION II)

Objetivo:

Que el alumno adquiera el conocimiento básico de los procesos biológicos que tienen

relación con la electrónica. También conocerá los elementos básicos de la

instrumentación enfocada a los seres vivos y de las normas de seguridad en dichos

sistemas.

INDICE

Capitulo 1 El Sistema Hombre-Instrumento ....................................................................................................... 3

1.0 Antecedentes. ...................................................................................................................................................... 3

1.1 Introducción al Sistema Hombre-Instrumento. .................................................................................... 4

1.2 Componentes del Sistema Hombre-Instrumento. ............................................................................... 7

1.2.1 El individuo. ................................................................................................................................................. 7

1.2.2 Estímulo. ....................................................................................................................................................... 7

1.2.3 Transductor. ................................................................................................................................................ 8

1.2.4 Equipo de acondicionamiento de señal............................................................................................ 8

1.2.5 Equipo de presentación. ......................................................................................................................... 8


1.2.6 Equipo de registro, proceso y transmisión de datos. ................................................................. 9

1.2.7 Dispositivos de Control. .......................................................................................................................... 9

1.3 Sistemas Fisiológicos del Organismo. ....................................................................................................... 9

1.3.1 La Célula ..................................................................................................................................................... 11

1.3.2 Fluidos Corporales ................................................................................................................................. 12

1.3.3 Sistema Músculo-Esquelético ............................................................................................................ 12

1.3.4 Sistema Respiratorio............................................................................................................................. 13

1.3.5 Sistema Gastrointestinal ..................................................................................................................... 13

1.3.6 Sistema Nervioso .................................................................................................................................... 13

1.3.7 Sistema Endocrino ................................................................................................................................. 14

1.3.8 Sistema Circulatorio .............................................................................................................................. 14

1.3.9 El Cuerpo como un Sistema de Control ......................................................................................... 15

1.4 Problemas Encontrados al Medir en un Sistema VIVO ................................................................... 15

1.4.1 Inaccesibilidad de las variables a medir. ...................................................................................... 16

1.4.2 Variabilidad de los datos. .................................................................................................................... 16

1.4.3 Escasez de Conocimientos sobre las Interrelaciones. ............................................................. 16

1.4.4 Interacción entre Sistemas Fisiológicos. ...................................................................................... 17

1.4.5 Efecto del Transductor en la Medida. ............................................................................................ 17

1.4.6 Artefactos. ................................................................................................................................................. 18

1.4.7 Limitaciones de energía. ...................................................................................................................... 18

1.4.8 Consideraciones de seguridad. ......................................................................................................... 19

1.5 Conclusión ......................................................................................................................................................... 19


CAPITULO 1 EL SISTEMA HOMBRE-INSTRUMENTO

1.0 ANTECEDENTES. Un ejercicio clásico de análisis en ingeniería incluye la medida de las salidas de un

sistema desconocido tal como quedan afectadas por distintas combinaciones de

entradas. Este sistema desconocido, referido a menudo como caja negra, puede tener

distintas configuraciones para una combinación dada de entradas y salidas. El producto

final de un ejercicio de este tipo suele ser un conjunto de ecuaciones entrada-salida que

intentan definir las funciones internas de la caja. Estas funciones pueden ser

relativamente simples o enormemente complejas.

Una de las «cajas negras» más complejas que se puede concebir es un organismo vivo,

especialmente el ser humano. Dentro de esta caja se pueden encontrar sistemas

eléctricos, mecánicos, acústicos, térmicos, químicos, ópticos, hidráulicos, neumáticos y

de muchos otros tipos, interaccionando todos unos con otros. Contiene además una

potente computadora, varios tipos de sistemas de comunicación, y una gran variedad

de sistemas de control. Para complicar más la situación, al intentar medir las entradas y

salidas, un ingeniero aprendería pronto que ninguna de las relaciones entrada-salida es

determinística. Esto es, la aplicación repetida de un conjunto de valores de entrada

dados no siempre producirá los mismos valores de salida. De hecho muchas de las

salidas parecen presentar un amplio abanico de respuestas para un conjunto de

entradas dado, dependiendo de algunas condiciones aparentemente sin importancia,

mientras que otras parecen ser completamente aleatorias y sin relación alguna con

ninguna de las entradas.

La «caja negra» viva presenta asimismo otros problemas. Muchas de las importantes

variables a medir no son fácilmente accesibles para los instrumentos de medida. El

resultado es que no se pueden determinar algunas relaciones claves o que se deben

emplear medidas sustitutivas menos precisas. Además, en esta caja hay un elevado

grado de interacción entre las variables. Así pues frecuentemente es imposible

mantener constante una variable mientras se mide la relación entre otras dos. De

hecho, algunas veces es difícil determinar cuáles son las entradas y cuáles las salidas,

porque nunca están etiquetadas e incluyen casi inevitablemente uno o más lazos de

realimentación. La situación todavía empeora debido a la aplicación del propio

instrumento de medida, que frecuentemente afecta a las medidas hasta el punto de que

no pueden representar fielmente, condiciones normales.


A primera vista la tarea de medir y analizar las variables en una caja negra viva

probablemente sería considerada imposible por la mayoría de los ingenieros; sin

embargo, este es el problema con el que se encuentran en el campo de la medicina

quienes intentan medir y comprender las relaciones internas del cuerpo humano. La

función de la instrumentación bioelectrónica es ayudar al médico y al investigador a

idear formas de obtener medidas del ser humano vivo, confiables y significativas.

Aún se dan otros problemas asociados con tales medidas: el proceso de medida no debe

poner en peligro en modo alguno la vida de la persona en la que se realizan las

medidas, y no debería exigir que el individuo soporte un excesivo dolor o incomodidad

o cualesquiera otras condiciones indeseables. Esto significa que muchas de las técnicas

empleadas normalmente en la instrumentación para sistemas sin vida no se pueden

aplicar en la instrumentación para personas.

Algunos factores adicionales a añadir a las dificultades para obtener medidas válidas

son:

consideraciones de seguridad;

el entorno del hospital donde se realizan frecuentemente estas medidas;

el personal médico involucrado por lo general en las medidas y

ocasionalmente incluso consideraciones éticas y legales.

Dado que en la obtención de datos de los organismos vivos, especialmente de los seres

humanos, aparecen problemas especiales y debido a la gran interacción entre el

sistema de instrumentación y el individuo donde se mide, es esencial que la persona en

la que se hacen las medidas sea considerada como parte integrante del sistema de

instrumentación. En otras palabras, para que los datos obtenidos a partir de la caja

negra (en el ser humano) tengan sentido, en el diseño y aplicación de cualquier

instrumento de medida se deben considerar las características internas de la caja

negra. En consecuencia, el sistema global que incluye la persona y la instrumentación

necesaria para medir en ella, se denomina el sistema hombre-instrumento. Este capítulo

trata de las propiedades de este sistema y de los problemas de medida del ser humano.

1.1 INTRODUCCIÓN AL SISTEMA HOMBRE-INSTRUMENTO.


Un sistema de instrumentación se define como el conjunto de instrumentos y equipo

utilizados en la medida de una o más características o fenómenos, más la presentación

de la información obtenida a partir de estas medidas de forma tal que la pueda leer e

interpretar el hombre. En algunos casos, el sistema de instrumentación incluye

componentes que dan un estimulo o excitación para una o más de las entradas del

dispositivo donde se mide También puede haber algún mecanismo para control

automático de ciertos procesos dentro del sistema o fuera de éste. Como ya se ha

indicado antes, el sistema hombre-instrumento completo debe incluir, además, al ser

humano en el que se realizan las medidas.

Los objetivos básicos de cualquier sistema de instrumentación se enmarcan, por lo

general, dentro de una de las siguientes categorías principales:

Adquisición de información. En un sistema de adquisición de información, la

instrumentación se utiliza para medir fenómenos naturales y otras variables que

ayuden al hombre en su búsqueda para conocerse a sí mismo y al universo donde vive.

En esta situación, puede que no se conozcan por adelantado las características de las

medidas.

Diagnóstico. Las medidas se realizan para ayudar a la detección y, si hay suerte, a la

corrección de algo que funcione mal en el sistema donde se mide. En algunas

aplicaciones, este tipo de instrumentación se puede clasificar como equipo de

«investigación de alteraciones».

Evaluación. Las medidas se emplean para determinar la capacidad de un sistema de

satisfacer las exigencias de funcionamiento impuestas. Estas pruebas se podrían

clasificar como «pruebas funcionales» o «control de calidad».

Monitorización. La instrumentación se utiliza para vigilar algún proceso u operación a

fin de obtener continua o periódicamente información del estado del sistema medido.

Control. Algunas veces la instrumentación se utiliza para controlar automáticamente el

funcionamiento de un sistema basándose en los cambios de uno o más de los

parámetros internos o en la salida del sistema.

El campo de la instrumentación bioelectrónica en general incluye, hasta cierto punto,

todos los objetivos anteriores del sistema general de instrumentación. La

instrumentación para investigación biomédica se puede considerar, por lo general,

como instrumentación de adquisición de información, aunque algunas veces incluye

algunos instrumentos de monitorización y control. La instrumentación para ayudar al

médico en el diagnóstico de enfermedades y otras alteraciones también se utiliza

extensamente. En la evaluación del estado físico de los pacientes en reconocimiento


médico ordinario se utiliza una instrumentación similar. Se emplean además sistemas

de instrumentación especiales para la monitorización de pacientes durante una

operación o en cuidados intensivos.

La instrumentación bioelectrónica se puede clasificar por lo general en dos grupos

principales:

clínica

y de investigación.

La instrumentación de uso clínico está dedicada básicamente al diagnóstico, cuidado y

tratamiento de pacientes, mientras que la instrumentación de investigación se utiliza

principalmente en investigación para conocer algo nuevo acerca de los distintos

sistemas que componen el organismo humano. Aunque algunos instrumentos se

pueden emplear en las dos áreas, los instrumentos de uso clínico están diseñados por

lo general de forma que sean más robustos y más fáciles de utilizar. El interés se centra

en obtener un conjunto limitado de medidas fidedignas a partir de un grupo numeroso

de pacientes y en proporcionar al médico información suficiente que le permita tomar

decisiones clínicas. Por otro lado, la instrumentación de investigación normalmente es

más compleja, más especializada y diseñada frecuentemente para obtener un mayor

grado de precisión, resolución, etc. Los instrumentos clínicos los maneja el médico o la

enfermera, mientras que los de investigación los utilizan por lo general técnicos

especializados especialmente entrenados. El concepto de sistema hombre-instrumento

se aplica tanto a la instrumentación clínica como a la de investigación.

Las medidas en las que se emplea instrumentación bioelectrónica se pueden dividir

también en dos grupos:

in vivo e

in vitro.

Una medida in vivo es aquella realizada sobre o dentro del organismo vivo. Un ejemplo

podría ser un dispositivo insertado en la corriente sanguínea para medir el pH de la

sangre directamente.

Una medida in vitro es aquélla que se realiza fuera del organismo, aun cuando esté

relacionada con su funcionamiento. Un ejemplo de medida in vitro sería la medida del

pH de una muestra de sangre extraída de un paciente. Literalmente el término in vitro

significa «en vidrio», indicando así que las medidas in vitro se realizaron inicialmente

en tubos de ensayo.


Aunque el sistema Hombre-Instrumento descrito hasta el momento se aplica

principalmente a las medidas in vivo, frecuentemente aparecen problemas para

obtener muestras adecuadas para medir in vitro y relacionar estas medidas con el ser

humano vivo.

1.2 COMPONENTES DEL SISTEMA HOMBRE-INSTRUMENTO. En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques del sistema hombre-instrumento.

Los componentes básicos de este sistema son esencialmente los mismos que en

cualquier sistema de instrumentación. La única diferencia real es que se tiene como

individuo un ser humano vivo.

Figura 1.1 Esquema de un Sistema Hombre-Instrumento

1.2.1 EL INDIVIDUO. El individuo es el ser humano en el que se realizan las medidas. Dado que es el

individuo quien hace a este sistema distinto a los otros sistemas de instrumentación,

los principales sistemas fisiológicos que constituyen el organismo humano se tratan

con mucho más detalle en el apartado 1.3.

1.2.2 ESTÍMULO. En muchas medidas, se necesita la respuesta a algún tipo de estímulo externo. La

instrumentación empleada para generar y presentar este estímulo al individuo es una

parte vital del sistema hombre-instrumento siempre que se miden las respuestas. El

estímulo puede ser visual (p. ej., un flash), acústico (p. ej., un tono), táctil (p. ej., un


golpe en el tendón de Aquiles) o estimulación eléctrica directa de alguna parte del

sistema nervioso.

1.2.3 TRANSDUCTOR. En general un transductor se define como un dispositivo capaz de convertir una forma

de energía o señal en otra. En el sistema hombre-instrumento, cada transductor se

emplea para producir una señal eléctrica que es una analogía del fenómeno que se

mide. El transductor puede medir temperatura, presión, flujo o cualquiera de las otras

variables que se pueden encontrar en el organismo, pero su salida es siempre una señal

eléctrica. Es habitual utilizar dos o más transductores simultáneamente para obtener

variaciones relativas entre fenómenos.

1.2.4 EQUIPO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL. La parte del sistema de instrumentación que amplifica, modifica o cambia de alguna

otra forma la salida eléctrica del transductor, se denomina equipo de

acondicionamiento (o algunas veces, proceso) de la señal. El equipo de

acondicionamiento de la señal se utiliza también para combinar o relacionar las salidas

de dos o más transductores. Por tanto, para cada módulo del equipo de

acondicionamiento de la señal, tanto la entrada como la salida son señales eléctricas, si

bien la señal de salida frecuentemente está muy modificada con respecto a la entrada.

Luego en esencia, la finalidad del equipo de acondicionamiento de señal es procesar las

señales de los transductores para cumplir las funciones del sistema y preparar señales

adecuadas para el funcionamiento del equipo de visualización o registro siguientes.

1.2.5 EQUIPO DE PRESENTACIÓN. La salida eléctrica del equipo de acondicionamiento de señal se debe convertir, a fin de

que sea inteligible, en algo que pueda ser percibido por uno de los sentidos del hombre

convirtiendo así la información obtenida con la medición en algo comprensible. La

entrada del instrumento de presentación es la señal eléctrica modificada proveniente

del equipo de acondicionamiento de la señal. Su salida es algún tipo de información

visual, acústica o tal vez táctil. En el sistema hombre-instrumentación el equipo de

presentación puede incluir un registrador gráfico, fotográfico, magnético u óptico, que

realice un registro permanente de los datos para archivo.


1.2.6 EQUIPO DE REGISTRO, PROCESO Y TRANSMISIÓN DE DATOS. Frecuentemente es necesario, o por lo menos deseable, registrar la información medida

para un posible uso posterior o para transmitirla de un punto a otro, ya sea al otro lado

del vestíbulo del hospital o a las antípodas. El equipo para estas funciones es con

frecuencia una parte vital del sistema hombre-instrumento. Además, donde se necesite

un almacenamiento o procesado automático de los datos o donde se emplee un control

por computadora, una computadora puede constituir parte del sistema de

instrumentación. Hay que tener en cuenta que el término registrador se utiliza en

instrumentación bioelectrónica con dos significados distintos. Un registrador gráfico de

pluma es realmente un instrumento de presentación de información utilizado para

producir un registro de señales analógicas en un papel, mientras que el equipo de

registro a que se refiere este párrafo incluye instrumentos donde se pueden guardar

los datos para recuperarlos en el futuro como son los registradores en cinta y discos

magnéticos o discos ópticos.

1.2.7 DISPOSITIVOS DE CONTROL. Allí donde sea necesario o deseable disponer de un control automático del estimulo,

transductores, o cualquier otra parte del sistema hombre-instrumento, se incorpora un

sistema de control. Este sistema consta por lo general de un lazo de realimentación

donde se emplea parte de la salida del equipo de acondicionamiento de la señal o de

presentación de la información para controlar de alguna forma el funcionamiento del

sistema.

1.3 SISTEMAS FISIOLÓGICOS DEL ORGANISMO. En los apartados anteriores se ha evidenciado que, para obtener medidas válidas del

ser humano vivo, es necesario tener conocimiento del sujeto sobre el que se realizan las

medidas. En el organismo humano se pueden encontrar sistemas eléctricos, mecánicos,

térmicos, hidráulicos, neumáticos, químicos y de otros diversos tipos, cada uno de los

cuales se comunica con un medio externo, e internamente con los otros sistemas del

organismo. Estos sistemas individuales se organizan para realizar muchas funciones

complejas, por medio de un sistema de control y una red de comunicación multinivel.

Mediante el funcionamiento integral de todos estos sistemas, y sus distintos


subsistemas, el hombre es capaz de subsistir, aprender a realizar tareas útiles, adquirir

rasgos de personalidad y de conducta e incluso reproducirse.

Las medidas se pueden realizar en los distintos niveles de la organización jerárquica

del hombre. Por ejemplo, el ser humano como un todo (el nivel de organización más

alto) se comunica con su entorno de muchas formas. Estos métodos de comunicación se

podrían considerar como entradas y salidas de una caja negra y están ilustrados en la

figura siguiente. Además estas entradas y salidas se pueden medir y analizar de

múltiples formas. La mayoría son accesibles para medir, pero algunas, como la voz, la

conducta y el aspecto son difíciles de analizar e interpretar.

En la jerarquía de organización, lo que sigue al conjunto del ser son los sistemas

funcionales principales que incluyen el sistema nervioso, el sistema cardiovascular, el

sistema pulmonar, etc. Cada sistema principal se trata posteriormente en este capítulo,

y la mayoría se cubren con mayor detalle en capítulos posteriores. Igual que la persona

como un todo se comunica con su entorno, estos sistemas principales se comunican

unos con otros así como con el medio externo.

Estos sistemas funcionales se pueden desglosar en subsistemas y órganos que a su vez

se pueden subdividir en unidades cada vez más pequeñas. El proceso puede continuar

hasta el nivel celular y acaso incluso hasta el nivel molecular. La meta principal de la

instrumentación bioelectrónica es hacer posible la medida de la información

comunicada por estos diversos elementos. Sí se pudiesen medir todas las variables en

todos los niveles de la organización jerárquica y se pudiesen determinar todas sus

interrelaciones, se comprenderían mucho mejor las funciones de la inteligencia y del

organismo humano y probablemente se podrían definir completamente mediante las

leyes de la física, química y otras ciencias conocidas actualmente. El problema es, desde

luego, que muchas de las entradas en los distintos niveles de organización no son

accesibles para medir. Las interrelaciones entre elementos son a veces tan complejas

que incluyen tal cantidad de sistemas que las «leyes» y relaciones deducidas de ellas

son inadecuadas para definirlos completamente. Así pues, los modelos que se utilizan

actualmente contienen tantas suposiciones y restricciones que su aplicación con

frecuencia está seriamente limitada.

Aunque cada uno de los sistemas se trata con mucho más detalle en capítulos

posteriores, a continuación discutiremos brevemente la célula, los fluidos corporales y

los sistemas mayores del cuerpo, y como se interrelacionan para producir la máquina

autorregulada que en esencia es. El cuerpo contiene cientos de sistemas realimentados

negativamente que tienden a mantener un equilibrio interno constante. Este proceso se

denomina homeóstasis y le permite responder a cambios en el medio externo, también


como cumplir con las regulaciones de los niveles de azúcar, sales, agua, equilibrio

acido-base, oxigeno, dióxido de carbono y otros materiales que importan para la vida.

Figura 1.2 Esquema donde se muestran posibles lugares para medir algunas variables

Biológicas

1.3.1 LA CÉLULA Todos los mamíferos, incluyendo el hombre, están hechos de elementos constitutivos

básicos, llamados células. Aunque se conocen muchos tipos de células, ellas difieren de

acuerdo a su función y son similares en sus constituyentes. Los diferentes tipos de

células realizan distintos trabajos y tienen grandes diferencias estructurales.

El tamaño de las células difiere en un amplio rango: de 200 nanómetros (1 nm = 10-9

metros) a varios centímetros de largo. La mayoría, sin embargo, cae entre 0.5 y 20

micrómetros (1μm = 10-6 metros). Un huevo de avestruz, que es una simple célula,

puede llegar a tener 20 cm de largo.

La célula contiene materiales usados en reacciones químicas que la mantienen

funcionando. Están rodeados de una membrana semipermeable. Esta membrana, no

solo contiene los materiales celulares, sino que selectivamente permite el paso, hacia

adentro y/o hacia afuera, de algunos de ellos. Además, dentro de la célula pueden


existir estructuras membranosas que dividen el volumen en que se realizan distintas

reacciones químicas.

La estructura de muchas células incluyen un núcleo dentro de la célula, separado del

citoplasma que la rodea, por su propia membrana. El núcleo contiene el código genético

de las células que se reproducen.

Las células, en el cuerpo humano, son muy numerosas (se estima su número en más de

75 x 1012), de las cuales una tercera parte son glóbulos rojos. Los glóbulos rojos son las

células de la sangre responsables del transporte del oxígeno a los tejidos del cuerpo.

Todas las células en muchos animales retienen ciertas características, por ejemplo,

organización, irritabilidad (por ej, en respuesta a estímulos externos), nutrición,

metabolismo, respiración y excreción. Algunas células también pueden reproducirse.

Todas las células proceden de sus antecesoras por un proceso de división celular,

llamado cariocinesis ó mitosis. Las células hijas pueden tener distinto volumen de

citoplasma, pero su núcleo es exactamente igual.

1.3.2 FLUIDOS CORPORALES El cuerpo está constituido por aproximadamente 56% de fluidos. El fluido intracelular

contiene grandes concentraciones de iones potasio, magnesio y fósforo, en cambio el

fluido extracelular contiene importantes concentraciones de iones de sodio, cloro y

bicarbonato, oxigeno, aminoácidos, ácidos grasos, glucosa y dióxido de carbono.

1.3.3 SISTEMA MÚSCULO-ESQUELÉTICO Los músculos y huesos del cuerpo proveen locomoción, es decir la habilidad de

moverse y manipular su entorno. Si no fuera por la locomoción, los seres humanos

serian más dependientes de su entorno, en cambio pueden desplazarse para huir de

peligros, obtener alimentos y agua o crear barreras contra los elementos.

El sistema esquelético consiste en huesos y algunos cartílagos. Los huesos se relacionan

entre sí por articulaciones y juntas, que les permiten moverse relativamente. En

general, los músculos están insertados entre huesos articulados entre sí y su

contracción provee el movimiento de la articulación.


1.3.4 SISTEMA RESPIRATORIO El sistema respiratorio introduce oxigeno en el cuerpo y elimina dióxido de carbono

producido como desecho por las células. Incluye boca, nariz, tráquea, bronquios y

pulmones. La sangre sin oxígeno del corazón derecho pasa a través de los pulmones,

donde apenas una membrana de 0.4 a 2 micrones separa los alvéolos, en los que entra y

sale el aire, de los capilares por donde circula la sangre. El oxígeno gaseoso del aire se

difunde a través de la membrana y se incorpora a la hemoglobina de la sangre; en

cambio, el dióxido de carbono sale de la sangre, se difunde a través de la membrana y

es exhalado a la atmósfera.

1.3.5 SISTEMA GASTROINTESTINAL El sistema gastrointestinal recibe su materia prima en forma de alimentos y líquidos,

procesándolos de forma que puedan ser absorbidos por el cuerpo. Ciertos órganos

digestivos son necesarios para procesar químicamente esas materias primas: El hígado,

los riñones, glándulas salivales y páncreas, además del estómago y el tracto intestinal.

El sistema incluye la boca, el esófago, estómago e intestino delgado y grueso.

La digestión de los alimentos es un proceso de trituración, licuefacción y proceso

químico de los elementos ingeridos, de tal forma que puedan ser utilizados por el

cuerpo. El proceso de digestión comienza en la boca, donde mecánicamente se trituran

los alimentos y la saliva comienza el proceso de ruptura química.

En el estómago se produce una mezcla y proceso químico. Los jugos gástricos se

mezclan con los alimentos en proceso formando una pasta lechosa. Las contracciones

del estómago, conocidas como ondas peristálticas que se producen aproximadamente

cada 20 segundos, favorecen esta mezcla y procesamiento, alcanzan presiones del

orden de 50 a 70 mm. H2O y cada vez que ocurren lanzan algunos mililitros del

contenido gástrico en el intestino.

Nutrientes y fluidos son absorbidos por el cuerpo del bolo que se mueve a través del

intestino. Es impulsado a una velocidad de 1 cm/min por débiles ondas peristálticas

intestinales.

Los productos no útiles y alimentos no digeridos son expelidos del cuerpo en la forma

de materias fecales desde el ano.

1.3.6 SISTEMA NERVIOSO


El sistema nervioso es esencial al funcionamiento del organismo humano. Regula

nuestros sistemas automáticos de control, integra y almacena datos del mundo exterior

y de nuestros órganos internos, y regula y controla el sistema de locomoción. Puede

asimilarse a una inmensa computadora, unida por gran cantidad de vías de

comunicación a una variedad de sensores distribuidos por todo el cuerpo.

El sistema nervioso autónomo es responsable de la regulación de las funciones

automáticas del cuerpo: frecuencia cardíaca, secreción de glándulas, funcionamiento

del sistema gastrointestinal, etc. El sistema nervioso autónomo opera a un nivel

subconsciente. En general uno no se da cuenta de su funcionamiento.

El sistema nervioso sensorial recibe datos del mundo exterior y de algunos órganos

internos, a través de células que actúan como receptores sensoriales (transductores).

Los ojos y los oídos son órganos sensores para la luz y el sonido, respectivamente. Pero

hay otras estructuras sensoriales que son sensibles al dolor, calor, presión, etc.

El sistema nervioso central admite, asimila e integra datos del mundo exterior,

información del estado de los órganos internos, etc. El cerebro es el principal órgano

del sistema nervioso central y, como una computadora, puede almacenar, procesar y

general información, así como reaccionar a los estímulos. Incluye a la medula espinal.

1.3.7 SISTEMA ENDOCRINO Así como el sistema nervioso central actúa como un sistema eléctrico de comunicación

y control, el sistema endocrino es un sistema químico de regulación y control que

ayuda en la regulación de la homeóstasis.

Las hormonas, que son producidas por las ocho mayores glándulas endocrinas y

volcadas al torrente sanguíneo, controlan y regulan el funcionamiento de importantes

funciones orgánicas.

En general, el funcionamiento del sistema endocrino es de acción lenta, responsable de

funciones metabólicas, y el sistema nervioso central de las que requieren acción rápida.

1.3.8 SISTEMA CIRCULATORIO El sistema circulatorio es el responsable del transporte de fluidos alrededor del cuerpo

y de un órgano a otro. Si bien la circulación de la sangre es la evidencia notoria del

sistema circulatorio, existe una circulación linfática.


La circulación de sangre es causada por la acción de una bomba, doble y de dos

tiempos: el Corazón. La sangre oxigenada en los pulmones retorna a la aurícula del

corazón izquierdo, pasa al ventrículo y es impulsada a través del cuerpo, entregando el

oxígeno necesario a todas y cada una de sus células. La sangre oxigenada fluye por

arterias y su retorno, ya entregado el oxígeno y cargada de dióxido de carbono y

desechos, lo hace por las venas. Este retorno venoso entra en la aurícula del corazón

derecho y es impulsada por el ventrículo correspondiente, a los pulmones, donde

entrega el CO2 y se carga nuevamente de O2.

La circulación sanguínea también transporta nutrientes y agua recogidos del tracto

gastrointestinal. Los nutrientes son procesados en el hígado y los productos de desecho

eliminados (filtrados de la sangre) en los riñones.

1.3.9 EL CUERPO COMO UN SISTEMA DE CONTROL Muchas funciones del cuerpo (estimadas de entre cientos y miles) se regulan mediante

lazos de realimentación negativa. Conceptualmente son idénticos a los que se estudian

en ingeniería y obedecen a las mismas leyes, aunque muchos de ellos aún no son bien

conocidos en todos sus componentes.

Cualquier lazo de realimentación negativa compara las condiciones que existen

actualmente con las que deben existir, accionando para cancelar parcialmente la

diferencia (error).

Un ejemplo de un sistema de control fisiológico, es la regulación automática de la

presión sanguínea. Sensores de presión en el sistema circulatorio (baroreceptores)

informan al sistema nervioso central de las condiciones que existen. Si la presión cae

por debajo de valores consignados como normales, el cerebro envía señales que

contraen los conductos, aumentando la presión. En cambio, si la presión sube, el

cerebro indica la dilatación de los conductos y la presión baja.

1.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS AL MEDIR EN UN SISTEMA VIVO Las exposiciones precedentes sobre el sistema hombre-instrumento y los sistemas

fisiológicos del organismo implican la realización de medidas en un ser humano. Sin

embargo, en algunos casos, se sustituye al hombre por animales para permitir medidas

o manipulaciones que no se pueden realizar sin algún riesgo. Aunque las restricciones

éticas a veces no son tan severas respecto a los animales, cabe esperar los mismos

problemas al intentar medir en cualquier sistema vivo. La mayoría de estos problemas


se citaron en los primeros apartados del capítulo. Con todo, se pueden resumir del

modo siguiente:

1.4.1 INACCESIBILIDAD DE LAS VARIABLES A MEDIR. Uno de los mayores problemas al intentar medir en un sistema vivo es la dificultad de

acceder a las variables a medir. En algunos casos, como en la medida de la actividad

neuroquímica dinámica en el cerebro, es imposible colocar un transductor apropiado

en un punto para hacer la medición. A veces el problema surge del tamaño físico

necesario del transductor comparado con el espacio disponible para medir. En otros

casos, la operación médica necesaria para colocar un transductor en un punto desde el

que se pueda medir la variable hace que la medida sea poco práctica en seres humanos,

y a veces incluso en animales. Cuando una variable es inaccesible a la medida,

frecuentemente se intenta efectuar una medida indirecta. Este proceso incluye la

medida de otras variables relacionadas que hacen posible en ciertas condiciones una

estimación aprovechable de la variable inaccesible. Sin embargo, al utilizar medidas

indirectas se debe ser constantemente consciente de las limitaciones de las variables

supletorias y se debe ser capaz de determinar cuándo es inválida la relación.

1.4.2 VARIABILIDAD DE LOS DATOS. Pocas de las variables que se pueden medir en el organismo humano son variables

exactamente determinísticas. De hecho, tales variables se deberían considerar como

procesos estocásticos. Un proceso estocástico es una función temporal relacionada con

otras variables de una forma no determinista. Las variables fisiológicas no se pueden

considerar como valores estrictamente determinísticos sino que se deben representar

por algún tipo de distribución estadística o probabilística. En otras palabras, las

medidas realizadas en un instante bajo un conjunto de condiciones determinado no

serán necesariamente las mismas que las medidas similares realizadas bajo las mismas

condiciones en otro instante. La variabilidad de un individuo a otro es todavía mayor.

Aquí se deben emplear de nuevo métodos estadísticos para estimar las relaciones entre

variables.

1.4.3 ESCASEZ DE CONOCIMIENTOS SOBRE LAS INTERRELACIONES. La anterior variabilidad en los valores medidos se podría explicar mejor si se conociera

y se comprendiera más acerca de las interrelaciones en el organismo. Las medidas


fisiológicas con grandes tolerancias son aceptadas frecuentemente por el médico

debido a lo escaso de sus conocimientos y a la incapacidad de controlar las variaciones

resultantes. Una mejor comprensión de las relaciones fisiológicas permitiría además

una utilización más efectiva de las medidas indirectas como sustitutos de medidas

inaccesibles y ayudaría al ingeniero o técnico en su labor de acoplar la instrumentación

al sistema fisiológico.

1.4.4 INTERACCIÓN ENTRE SISTEMAS FISIOLÓGICOS. Debido al gran número de lazos de realimentación incluidos en los principales sistemas

fisiológicos, existe un elevado grado de interacción tanto dentro de un sistema dado

como entre los sistemas principales. El resultado es que la estimulación de una parte de

un sistema dado, por lo general afecta de alguna forma a todas las demás partes de este

sistema (a veces de un modo impredecible) y a menudo afecta también a otros

sistemas. Por esta razón, las relaciones «causa-efecto» se hacen muy poco claras y

difíciles de definir. Aún en el caso de que se abran los lazos de realimentación, aparecen

anillos colaterales y todavía se presentan algunos aspectos del lazo de realimentación

original. Además, cuando un órgano o elemento se vuelve inactivo, a veces otro órgano

o elemento lleva a cabo su función. Esta situación es cierta especialmente en el cerebro

y otros puntos del sistema nervioso.

1.4.5 EFECTO DEL TRANSDUCTOR EN LA MEDIDA. Casi todos los tipos de medición están afectados de alguna forma por la presencia del

transductor de medida. El problema se complica mucho en la medida de sistemas vivos.

En muchas situaciones la presencia física del transductor cambia la indicación de forma

significativa. Por ejemplo, un gran transductor de flujo situado en un torrente

sanguíneo bloquea parcialmente el vaso y cambia las características presión-flujo del

sistema. Análogamente, un intento de medir los potenciales electroquímicos generados

en una célula individual, exige penetrar en la célula por medio de un transductor. Esta

penetración puede matar fácilmente a la célula o dañarla de tal modo que deje de

funcionar normalmente. Otro problema surge de la interacción discutida antes. Con

frecuencia la presencia de un transductor en un sistema puede afectar a la respuesta de

otros sistemas. Por ejemplo, un enfriamiento local de la piel para estimar la circulación

en esta zona, produce una realimentación que cambia el curso circulatorio como

reacción al enfriamiento. El efecto fisiológico de la medida también puede afectar a los

resultados. A largo plazo las técnicas de registro para la medida de la presión sanguínea

han mostrado que algunos individuos, que de otro modo tendrían presiones normales,


presentan una indicación de presión elevada siempre que están en el consultorio

médico. Es una respuesta de miedo por parte del paciente que influye en el sistema

nervioso autónomo. En el diseño de un sistema de medida, el ingeniero o técnico en

instrumentación bioelectrónica debe tener el máximo cuidado en asegurar que el

efecto de la presencia del instrumento de medida sea mínimo. Debido a la limitada

cantidad de energía disponible en el cuerpo para muchas variables fisiológicas, también

se debe tener cuidado en evitar que el sistema de medida «cargue» la fuente de variable

medida.

1.4.6 ARTEFACTOS. En medicina y biología el término artefacto se refiere a cualquier componente de una

señal que sea extraña a la variable representada por la misma. De este modo se

consideran como artefactos el ruido propio generado por el instrumento de medida, la

interferencia electromagnética producida por todo tipo de transmisiones

radioeléctricas, radio, TV, Telefonía Celular, etc. (incluyendo la captación de ruidos

impulsivos y zumbido de 50/60 Hz. de la línea de alimentación), y todas las demás

variaciones inesperadas de la señal. También son artefactos las señales producidas por

el mismo individuo, pero correspondientes a un parámetro que no es el de medida (Por

ejemplo, al pretender obtener un electrocardiograma en un ambiente frío. el organismo

reacciona con movimientos musculares que producen perturbaciones eléctricas

superpuestas a la señal deseada, otra fuente importante de perturbación en la medición

en un sistema vivo es el movimiento del individuo, que produce a su vez un

movimiento del dispositivo de medida. Dado que muchos transductores son sensibles

al movimiento, cualquier movimiento por parte del individuo produce frecuentemente

variaciones en la señal de salida. A veces estas variaciones no se pueden distinguir de la

variable medida; en otros casos puede ser suficiente para oscurecer completamente la

información deseada. La aplicación de anestesia para reducir el movimiento puede

producir cambios inesperados en el sistema.

1.4.7 LIMITACIONES DE ENERGÍA. Muchas técnicas de medidas fisiológicas necesitan que se aplique cierta cantidad de

energía al sistema vivo para obtener una medida. Por ejemplo, las medidas de

resistencia necesitan que pase corriente eléctrica por los tejidos o la sangre donde se

mide. Algunos transductores generan una pequeña cantidad de calor debido al paso de

corriente. En la mayoría de los casos este nivel de energía es tan bajo que su efecto es

insignificante. Sin embargo, al tratar con células vivas, se debe tener cuidado


continuamente para evitar la posibilidad de concentraciones de energía que puedan

dañar a las células o afectar a las medidas.

1.4.8 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD. Tal como se ha mencionado antes, los métodos empleados para medir variables en un

ser humano vivo no deben poner en peligro la vida o el funcionamiento normal del

individuo. El reciente énfasis en la seguridad hospitalaria requiere que se tome una

precaución extraordinaria en el diseño de cualquier sistema de medida para proteger al

paciente. De un modo parecido la medida no debería producir dolor, trauma o

incomodidad excesivos a menos de que sea necesario tolerar estas condiciones para

salvar la vida del paciente.

1.5 CONCLUSIÓN A partir de la exposición precedente debería resultar evidente que obtener datos de un

sistema vivo hace muy complejos los problemas de instrumentación. Sin embargo,

afortunadamente el desarrollo de transductores y la electrónica a partir de los

semiconductores, y la computación personal, han expandido la oferta de soluciones a

nivel asistencial, desde que personalmente entramos en este campo, hace años. No ha

tenido, sin embargo la misma fortuna, la comprensión de los riesgos que la

instrumentación conlleva. En el mundo prácticamente hay consenso sobre las Normas

del Comité Electrotécnico Internacional pero en nuestro país siguen incorporándose al

servicio equipos nuevos y/o reparados sin ninguna verificación de seguridad respecto

a las normas antes mencionadas.

el sistema hombre instrumento

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