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.

REFERENCES

[1] Automatizacion de un Electronistogmografo de un
canal empleando comunicacionespor luz infra-roja, Jaime Leybon
Ibarra, Miguel Angel Callado Corona, Centro de Investigacion y
Estudios Avanzados (CINVESTAVI, INSTITUTO POLITECNICO
NACIONAL).

[2] Bioelectronica y Nuevas Tecnicas en Medicina
Deportiva, Gabriel Garcia Arguelles, Ana. M Garcia
Diaz, Guillermo Manguez Alvares.

[3] Bioelectronica: Señales Bioelectricas, Jose
Ma. Ferrero Corral, Jose Maria Ferrero y de
LamaOsorio, Antonio Arnau Vives.

[4] Mecanismos de Control y Adaptacion para Marcapasos
y Corazones Artificiales. Pablo Senatore, XIII
Seminario de Ingenieria Biomedica
2004.

[5] F. Silveira, D. Flandre, LOW POWER ANALOG CMOS FOR
CARDIAC PACEMAKERSDe sing and Optimization in Bulk and SOI.
Technologies. Kluwer Academic Publishers, 2004. ISBN:
1-4020-7719X.

[6] IEEE Press, Design of Cardiac
Pacemakers. Jhon G. Webster 1993. ISBN:
0-7803-1134-5.

[7] Jurgen Werner, M. Hexamer, M. Meine, B. Lemke
Restoration of Cardiac-Circulatory Regulation by Rate-Adaptative
Pacemaker Systems: The Bioengenering View of a Clinical Problem.
IEEE Transaction ON BIOMEDICAL ENGENEERING, September1999,
volumen 40 number 9.

[8] Deteccion de Marcapasos en equipos portatiles de
Registro. Roberto Montero Herrera, Daniel Jimenez Gonzales,
Instituto Central de Investigacion Dijital.

[9] Los Marcapasos Cardiacos implantables con fuente de
Energia nuclear, Fernando J. Alvarez-Cervera, Francisco J.
Heredia-Lopez, Jose L. Gongora Alfaro.

[10] BRADICARDIA SINTOMÁTICA Y USO DE MARCAPASOS
EN EL SERVICIO DE URGENCIAS(Revista Facultad de Medicina de la
Universidad Nacional de Colombia,2007), 101 gadgets that changed
the world (BORBÓN 2007),Crean primer ojo biónico
(Rebato, 2010), Historia del implante coclear (Schwartzman,
2011)

[11] Evolución de los marcapasos y de la
estimulación eléctrica del corazón,
Evolution of cardiac pacing and of electrical heart stimulation,
Efrén Gutiérrez Fuster*, Del Hospital Central
Militar de México

[12] Utilidad de los electrogramas almacenados de
marcapasos definitivos para la evaluación de arritmias y
decisión de conductas terapéuticas, Graciela M. M.
Pellegrino†, Daniel F. OrtegaMTSAC, Luis D. BarjaMTSAC,
Gastón AlbinaMTSAC, Rubén LaiñoMTSAC,
Alberto GinigerMTSAC.

[13] Apuntes sobre la historia del
marcapaso cadíaco artificial.D Salas Segura
2001 pensamiento-actual.ucr.ac.cr

[14] Estimulación multisitio en pacientes con
disfunción ventricular severa y trastornos de
conducción,R Zayas Molina, A Peix González. . .
Revista Cubana de . . . , 2003 scielo.sld.cu

[15] Frequency of Trypanosoma cruzi infection in
patients with implanted pacemaker, G Mora, MC Echeverry, GE Rey,
MC López, LF Posada. . . Biomedica, 2007
scielo.org.co

Autor:

Cristian Junior Campoverde
Alvarado

Universidad Politecnica Salesiana (Sede
Cuenca)