Física Biomédica Introducción a la Física Biomédica Magnitudes: Escalares Vectoriales long, peso, t. Fuerza, Presión Fundamentales Derivadas Movimiento Velocidad Aceleración long, masa, t. Vel = espacio / tiempo acel = V final – V inicial / t Fuerza 1° Ley de Newton: 2° Ley de Newton: Gravedad: Inercia F = m.a Peso = m . acel de gravedad Densidad δ = m / vol Peso m . g (gravedad) Peso específico = Peso / Volumen Trabajo T = F x long. 1 erg = 1 dina x 1 cm 1 Joule = 107 erg Potencia P = Trabajo / t Watt = Joule / s Energía E = m . C2 E Potencial Gustavo Juri 1HP = 746 W E cinética Física Biomédica 1 Calorimetría 1 caloría = elevación 1 °C a 1gr de agua Metabolismo Anabolismo Catabolismo Sólidos Líquidos Presión Hidrostática Pr = Fuerza / Sup. Principio de Pascal: La Pr en 1 p. se transmite en todas las dir c/ = intensidad Principio de Arquímedes: Todo cuerpo sumerg recibe un empuje vert = al peso del líq desalojado Principio de Bernouilli Vel ↑ => Pr ↓ Túbo rígido Vel ↓ => Pr ↑ Experimento de Marey Tubo elastico Líquido intermitente => presión no llega a 0 Viscosidad Frotamiento interno de un líquido de una capa sobre la otra del mismo líqu Tensión Superficial Fuerza de cohesión molecular Tens Sup = Peso / 2 long. = Peso / (4 π r) Capilaridad Fuerza de adhesión a las paredes > a la Fuerza de cohesión molecular Meniscos cóncavos o convexos de líquidos en tubos Ley de Jurin: el ascenso o descenso de un líquido en un capilar es: H = (2 . TS) / (r . δ . g) = 2 tens sup / radio del tubo . dens . grav Absorción Fijación de líquidos o gases a superficies de cuerpos líquidos o sólidos Cromatografía Gustavo Juri Física Biomédica 2 Gases Intercambio de Gases en Sangre O2: 21% 160 mmHg CO2: 0.1% 0.4 mmHg H2O: 14% 100 mmHg 5.6% 40 mmHg 47 mmHg 115 mmHg 28 mmHg 47 mmHg (14 / 100) x (760 – 47) = 100 mmHg (5.6 / 100) x (760 – 47) = 40 mmHg Hb reducida + O2 = OxiHemoglobina 1g Fe = 22400 / 56 = 1 mol de O2 / 1 mol de Fe = 400 ml O2 1g Hb = 0.00335g de Fe => 1.34 ml O2 100 ml de sangre = 15g Hb => 1.34 x 15 = 20 ml O2 Curva de Disociación CarboxiHemoglobina = HbCO 300x más estable que HbO2 1/20 CO2 disuelto en COOH Enfermedad de las Alturas Enfermedad de los Buzos 10 m = 2 atm 30 m = 4 atm 70 m = 8 atm Gustavo Juri Física Biomédica 3 Barreras Biológicas - Membranas Estructuras: Capa bilipidica con proteínas Intrínsecas: receptores y canales iónicos Extrínsecas: receptores Transporte Difusión D ≈ (∆[] . á . per.) / (esp . √PM) Gradiente de concentración, área, permeabilidad, espesor, Peso molecular Osmosis Difusión Simple: de > [] a < [] Vit. DEKA, 300mOsm isotonico (2 Na) Transporte Mediado por Proteínas: Transporte Pasivo: Sin gasto de ATP Transporte Activo: Con gasto de ATP Transporte Primario: ATP directo Transporte Secundario: ATP indirecto (glu x Na en túbulos renales) Transporte Vesicular Endocitosis Exocitosis Sistema Compartimental Distribución de Fluidos en el cuerpo humano IC Is Fluido Intra-Celular Fluido Extra-Celular Fluido Intersticial Fluido Vascular IC Gustavo Juri V 2/3 1/3 2/3 1/3 Is Física Biomédica V 4 Tejidos Excitables Equilibrio Iónico y Potencial de Membrana en Reposo Conducción de Membrana: Cantidad de canales que están abiertos en una membrana Canales Sin gatillo (gate): siempre abiertos => K Canales Con gatillo (gate) por voltaje : se abren o cierran con el cambio de voltaje de membrana Canales Con gatillo (gate) por Ligando: se abren o cierran con sustancias Específicas (nunca con voltaje) Fuerza Neta: Sumatoria de todas las fuerzas Fuerza de Concentración: ∆[] Fuerza Eléctrica: (mV) (-70mV) atraen iones (+), rechazan iones (-) Ecuación de Nernst: Fuerza de concentración en mV V1 – V2 = -60mV log [K]1 / [K]2 Potencial de Membrana en Reposo Ion Na+ K+ ClCa++ Intracelular (mEq/l) 10 100 5 0.001 Extracelular (mEq/l) 140 5 120 5 Permeabilidad 0.03 1 1 0.001 Ecuación de Nernst: RT° pk[K]i + pNa [Na]i + pCa [Ca]i + pCl [Cl]e ∆V = -------- Ln ------------------------------------------------------------F pk[K]e + pNa [Na]e + pCa [Ca]e + pCl [Cl]i 220 ∆V = - 61 mV . Ln -------- = -73 mV 14.2 Gustavo Juri Física Biomédica 5 La Membrana y el Circuito Equivalente: Electrodo: Conductor de segunda especie (solución electrolítica) con un conductor de primera especie (conductor metálico) Corriente: i=q/t ampere=coulomb/seg Resistencia = R=∆V/I Capacitancia = C=q/∆V = farad = coulomb/volt Extracel R Na R Ca R Cl RK E Na+ E Ca+ E Cl - EK+ Cm Intracel Potencial de Membrana en Reposo - Modelo Celular Cl- Cl- ECl- = -90mV => ∆V = 0mV K+ K EK+ = -105mV => ∆V = -15mV Na+ Na+ ENa+ = +45mV => ∆V = +135mV -90mV Muy sensitivo a K extracelular ↑K: Despolariza ↓K: Hiperpolariza 135mV Difusión Pasiva Na+ 3Na+ Transporte Activo con Bomba de Na-K-ATPasa 2K+ K+ Difusión Pasiva Gustavo Juri Física Biomédica 6 Potencial de Acción Neuronal La conducción de la señal nerviosa se realiza por una despolarización rápida de la membrana que cambia el potencial de reposo negativo normal a un potencial positivo. Esto es seguido por una repolarización, volviendo el potencial de membrana nuevamente negativo. Células exitables, nervios y músculos tienen formas y tamaños de potenciales de acción diferentes. Neurona Motora Gustavo Juri Músculo Esquelético Física Biomédica Ventrículo cardíaco 7 Electrocardiograma Recorrido del potencial de Acción en el Corazón: Nodo SA (SinoAuricular) Músculo Auricular Nodo AV (AuriculoVentricular) Haz de His Ramas del Haz de His Sistema de Purkinje Músculo Ventricular. La despolarización del Nodo SA se propaga rápidamente a través de las Aurículas al Nodo AV. La despolarización Auricular se completa en 0.1 seg. Luego continúa la conducción AV pero mas lenta que la anterior llamada también Retardo AV, tardando 0.1 seg. y regulado por la inervación del simpático y vago que aumenta y disminuye la freq. Cardíaca respectivamente. Luego continúa despolarizando los ventrículos desde la parte superior de los tabiques interventriculares hasta la punta y volviendo al surco AV, tardando desde 0.08 a 0.1 seg. A causa de que los líquidos corporales son buenos conductores, es posible registrar extracelularmente los potenciales de acción de las fibras del miocardio El registro de las fluctuaciones de estos potenciales de acción durante el ciclo cardíaco se denomina Electrocardiograma (ECG) El ECG puede ser registrado usando un electrodo activo y un electrodo de potencial cero (registro unipolar) o entre dos electrodos activos (registro bipolar).En un un conductor de volumen, la suma de los potenciales en los vértices de un triángulo equilátero con una fuente de corriente en el centro es cero en todo tiempo. Puede construirse aproximadamente un triángulo (triángulo de Einthoven) con el corazón en su centro colocando electrodos en ambos brazos y en la pierna izquierda. Si estos electrodos son conectados a una Terminal común, se obtiene un electrodo indiferente que está casi a potencial cero. La despolarización que se desplaza hacia un electrodo activo en un conductor de volumen produce una deflexión positiva, mientras que la despolarización que se mueve en la dirección opuesta produce una deflexión negativa. Por convención se inscribe una deflexión hacia arriba cuando el electrodo activo se vuelve positivo en relación al electrodo indiferente y una deflexión hacia abajo cuando se vuelve negativo. Derivaciones Bipolares Las derivaciones bipolares de los miembros (I, II, y III) son registros diferenciales de potencial entre dos miembros. En la Derivación I, los electrodos se conectan de manera que una desviación hacia arriba sea inscrita cuando el brazo izquierdo se vuelva positivo con respecto al derecho (brazo izquierdo positivo). En la Derivación II, los electrodos están en el brazo derecho y en la pierna izquierda, siendo la pierna positiva. En la Derivación III, los electrodos están en el brazo izquierdo y en la pierna izquierda con ésta positiva. Gustavo Juri Física Biomédica 8 Derivaciones Unipolares (V) Comúnmente se utilizan 9 (nueve) derivaciones unipolares, o derivaciones que registran la diferencia de potencial entre un electrodo activo y uno neutro. Hay 6 (seis) derivaciones toráxicas (precordiales) designadas: V1 al V6 y 3 (tres) de extremidades: aVR (brazo Derecho), aVL (brazo Izquierdo), aVF (Pie izquierdo) La letra “a” que antecede las derivaciones indican que son aumentadas en un 50% utilizando los otros dos miembros como electrodos opuestos. Gustavo Juri Física Biomédica 9 Electrocardiografía El electrocardiograma (ECG) es un registro lineal de la actividad eléctrica del corazón que se va sucediendo en el tiempo. Por cada ciclo cardíaco se registran sucesivamente la curva de despolarización auricular (asa de P), que en la curva del ECG se conoce como onda P, la curva de despolarización ventricular (asa de QRS), que en la curva del ECG origina el complejo QRS, y la curva de repolarización ventricular (asa de T), que da lugar a la onda T. Según la frecuencia cardíaca, el intervalo entre las ondas de un ciclo y otro es variable. Normalmente se registran estas diferentes ondas desde distintos puntos (derivaciones). Valor y limitaciones de la electrocardiografía El ECG es fundamental para el estudio de los pacientes con arritmias cardíacas, trastornos de la conducción, syndrome de preexcitación y pacientes con cardiopatía isquémica. En general es útil para el diagnóstico y el estudio evolutivo de la mayoría de las cardiopatías, de otras enfermedades y situaciones diversas y en estudios epidemiológicos. A pesar de su inestimable valor en el diagnóstico de algunas cardiopatías, la electrocardiografía puede ser un arma más peligrosa que eficaz si nos confiamos en exceso ante un ECG aparentemente normal o valoramos en demasía un ECG patológico. Es aún frecuente que, escudándose en el poder “mágico” del ECG, el médico que se encuentra ante un paciente que presenta crisis de dolor precordial de origen dudoso sentencie: “Hay que practicar un ECG para salir de dudas”. Es necesario recordar que un elevado porcentaje de pacientes afectos de cardiopatía isquémica presentan un ECG normal de reposo e incluso de esfuerzo y, asimismo, con alguna frecuencia el ECG se normaliza después de un infarto de miocardio. Es obligado, pues, interpretar el ECG teniendo en cuenta el contexto clínico en el que se obtiene. De lo dicho se infiere que un ECG normal no constituye ningún “seguro de vida” y, en realidad, no excluye una muerte cardíaca por causa eléctrica (debida a fibrilación ventricular o bradiarritmia) ni siquiera en el mismo día de haber tomado el registro normal, aunque, evidentemente, si no existe cardiopatía clínica, las posibilidades de que esto ocurra son muy remotas. Por otra parte, el ECG puede mostrar variantes de la normalidad en relación con el hábito constitucional, malformaciones torácicas, raza y sexo, o presentar alteraciones fugaces debidas a múltiples causas (hiperventilación, hipotermia, ingestión de glucosa o alcohol, alteraciones iónicas, acción de determinados fármacos, etc.). Es necesario, pues, no perder de vista el gran valor que tiene la clínica, ya que en función de ésta se han de interpreter los ECG. Características del ECG normal Ante un ECG hay que estudiar sistemáticamente diferentes parámetros, para lo cual se deben conocer los límites normales de cada uno de ellos. Frecuencia cardíaca. El ritmo sinusal normal en reposo oscila entre 60 y 100 lat/min. La frecuencia cardíaca en el ECG se puede medir aproximadamente de acuerdo con el número de espacios de 0,20 seg que hay en un ciclo RR o de ciclos RR que hay en 6 seg y multiplicarlo por 10 o también mediante una regla adecuada. Ritmo. Puede ser sinusal o ectópico. Se considera sinusal cuando la onda P es positiva en DI, DII y aVF y negative en aVR, y va seguida de un complejo QRS con intervalo PR, en el adulto, igual o mayor a 0,12 seg. Este intervalo PR puede ser menor si existe un síndrome de preexcitación. Intervalo y segmento PR Los valores normales del intervalo PR en el adulto son de 0,12-0,20 seg (hasta 0,22 seg en el anciano). Intervalos PR mayores se ven en casos de bloqueo auriculoventricular (AV) y menores en el syndrome de preexcitación y en distintas arritmias. Intervalo QT Normalmente su valor no debe ser superior, en más o en menos, al 10% del valor que le corresponde según la frecuencia cardíaca. El intervalo QT largo se puede ver en el síndrome QT largo congénito, en la insuficiencia cardíaca y coronaria, en trastornos electrolíticos y tras la ingestión de determinados fármacos. El intervalo QT corto se observa en casos de repolarización precoz, como efecto de la digital, entre otros. Onda P. Normalmente su altura no debe superar los 2,5 mm y su anchura los 0,10 seg. Es redondeada. Su morfología varía según las derivaciones Complejo QRS. La morfología varía de acuerdo con las distintas derivaciones, como puede verse en la Normalmente su anchura es inferior a 0,10 seg y la altura de la R no es superior a 25 mm en las derivaciones V 5 y V6, ni a 20 mm en DI ni a 15 mm en aVL. Por otra parte, la onda Q no suele superar el 25% de la R siguiente, aunque hay excepciones, sobre todo en DIII, aVL y aVF, y debe ser estrecha (menor de 0,04 seg). Onda T. En principio, en el adulto, la onda T es positiva en todas las derivaciones menos en aVR (por caer el asa de Ten el hemicampo negativo de dicha derivación). A menudo es también negativa o aplanada en V 1; en DIII y aVF la onda T puede ser aplanada o incluso negativa En el niño es normal que la onda T sea negativa en las precordiales derechas (repolarización infantil). Onda U. En alguna ocasión se observa, después de la onda T, una pequeña onda que normalmente tiene la misma polaridad que la onda T Gustavo Juri Física Biomédica 10 Eje eléctrico. Valores normales. Se denomina eje eléctrico de P, QRS y T (ÂP, ÂQRS y ÂT) al vector resultante de las fuerzas creadas durante los procesos respectivos de despolarización auricular y despolarización y repolarización ventriculares. ÂP: en más del 90% de los casos normales se halla entre +30° y +70°. ÂQRS: generalmente oscila entre 0° y + 90°, aunque puede situarse más a al izquierda, en pícnicos, y más a la derecha, en asténicos. ÂT: generalmente oscila entre 0° y + 70°. Los ÂT más a la izquierda se ven cuando el ÂQRS es también izquierdo, pudiendo en ocasiones llegar a –30°. Sin embargo, incluso con ÂQRS derechos puede ser normal, en ocasiones, un ÂT entre 0° y –30°. Cálculo de la frecuencia cardíaca según el intervalo RR Número de espacios 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frecuencia de 0,20 seg (lat/min) 300 150 100 75 60 50 43 37 33 Curvas e intervalos del ECG. Gustavo Juri Física Biomédica 11 A. Asa de P en el espacio, su proyección sobre los planos frontal y horizontal y morfología de la onda P en las doce derivaciones. B. Asa de QRS en el espacio, su proyección sobre los planos frontal y horizontal y morfología de la onda QRS en las doce derivaciones. C. Asa de T en el espacio, su proyección sobre los planos frontal y horizontal y morfología de la onda T en las doce derivaciones. Gustavo Juri Física Biomédica 12