Electromedicina

Capítulo 1

Fundamentos de la Electromedicina

La Seguridad en Electromedicina La tecnología electromédica ha aumentado considerablemente la seguridad de los equipos y ha reducido los riesgos debido al manejo y la utilización. En las aplicaciones médicas los niveles de seguridad que deben cumplir los sistemas de instrumentación se encuentran normalizados. De todas formas no se puede asegurar un riesgo nulo en el uso del equipamiento, pero sí es posible reducirlo mediante una adecuada utilización por usuarios instruidos. La mayoría de los daños producidos a pacientes se pueden atribuir a un uso inadecuado del equipamiento electromédico o a la falta de experiencia en su manejo, o bien, a fallas en las instalaciones. Por lo tanto, es de suma importancia desarrollar sistemas de seguridad lo más fiables posibles. Algunos pacientes, bajo ciertas condiciones pueden ser más susceptibles al peligro de la corriente eléctrica que una persona en su casa o su trabajo, por lo cual se deben tomar precauciones especiales. Para describir los riesgos se estudiarán los efectos fisiológicos de la corriente eléctrica.

Efectos Fisiológicos de la Corriente Eléctrica Para que la electricidad produzca efectos sobre el organismo, el cuerpo se debe convertir en parte del circuito eléctrico. Para que circule corriente a través del cuerpo humano deben existir al menos dos conexiones entre el cuerpo y una fuente de alimentación externa. La magnitud de la corriente dependerá de la diferencia de potencial entre las conexiones y la resistencia eléctrica del cuerpo. La mayor parte de los tejidos del cuerpo humano poseen un elevado porcentaje de agua, por lo

2 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos cual la resistencia eléctrica que presentan es baja y se pueden considerar como buenos conductores. Por otra parte, la impedancia de la piel (epidermis) es bastante elevada, del orden de los 200 a 500 kΩ. El efecto que la corriente eléctrica produce sobre un individuo depende de diversos parámetros: la magnitud de la corriente que circula por el tejido, el tiempo de exposición, la zona por la que circula (superficie o tejido interno) y la frecuencia que posee. La gravedad del daño dependerá a su vez del órgano afectado. La corriente eléctrica puede incidir sobre los tejidos básicamente en tres formas: en primer lugar se produce una excitación eléctrica en los tejidos excitables (nervios y músculos), comenzando con una sensación de hormigueo o escozor, que si alcanza intensidad suficientemente elevada puede ser dolorosa y molesta. La estimulación de estos nervios o músculos motores puede provocar contracciones, y si ésta aumenta se puede producir la tetanización del músculo (contracción intensa y sostenida). En segundo lugar, puede aparecer un incremento de temperatura en el tejido debido a la resistencia que presenta y la energía disipada en el mismo. Por último, un aumento elevado de la temperatura puede producir quemaduras, frecuentemente en los puntos de contacto, por ser los lugares donde existe mayor densidad de corriente. Esta característica es aprovechada en la electromedicina por los electrobisturíes, los cuales utilizan generadores de radiofrecuencia con frecuencias de 2,5 a 4 MHz para cortar tejidos o coagular pequeños vasos sanguíneos. El órgano más susceptible a la corriente eléctrica es el corazón. Un estímulo que tetanice el corazón provoca la contracción completa del miocardio, que detiene la acción de bombeo, interrumpiéndose entonces la circulación sanguínea. Si la circulación no se restablece en pocos minutos, en primer lugar se lesiona el cerebro y luego se produce la muerte por falta de oxigenación en los tejidos cerebrales. Si la corriente tetanizante es de corta duración, el latido del corazón se reanuda en forma espontánea. Puede ocurrir que una corriente más baja, que excite sólo una parte de las fibras musculares del corazón, sea más peligrosa que otra que sea capaz de tetanizar el corazón entero. Una excitación parcial puede cambiar las vías eléctricas de propagación en el miocardio desincronizando la actividad del corazón. Este fenómeno, con el cual el corazón pierde el sincronismo, se lo denomina fibrilación y es la causa que produce la mayoría de las muertes por accidentes eléctricos. Se puede producir también parálisis respiratoria si los músculos del tórax se tetanizan por efecto de una corriente que circule a través del pecho, o a través del centro de control respiratorio del cerebro. Analizaremos a continuación los diferentes efectos fisiológicos que se producen sobre los individuos según el valor de la corriente eléctrica circulante:

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• Umbral o nivel de percepción. Es la intensidad mínima que el ser humano es capaz de detectar. Este valor varía en función del sujeto y las condiciones de medida, siendo entre 10 µA y 0,5 mA para corrientes alternas en 50 Hz, y entre 2 y 10 mA para corrientes continuas. • Corriente de pérdida del control motor. Estas corrientes oscilan entre 6 y 16 mA (para una CA de 50 Hz). Los músculos se pueden excitar y provocar contracciones, en algunos casos llegando a ser dolorosas y ocasionando la pérdida del control motor. • Parálisis respiratoria, dolor y fatiga. Para corrientes entre 18 y 22 mA aparecen contracciones involuntarias de los músculos respiratorios, provocando situaciones de asfixia si la corriente no es interrumpida. Estas contracciones fuertes e involuntarias pueden además, provocar dolores y causar fatiga si el individuo permanece expuesto durante un tiempo prolongado a la circulación de la corriente eléctrica. • Fibrilación ventricular. Corrientes mayores a las citadas anteriormente pueden provocar la pérdida de sincronismo de las fibras del músculo cardíaco. Una vez desincronizada la actividad ventricular, el proceso no se detiene aunque desaparezca la causa que le dio origen, haciendo que el corazón deje de funcionar como bomba. Para restablecer la actividad normal, se requiere aplicar un pulso que despolarice simultáneamente todas las células del músculo cardíaco. El equipo electromédico diseñado para tal fin es el desfibrilador (ver el Capítulo 5). Los niveles de corriente que producen una fibrilación oscilan entre 75 y 400 mA. • Contracción del miocardio sostenida. Si la corriente que circula es muy elevada el músculo entero del corazón se contrae. En este momento el corazón deja de latir, pero cuando la corriente cesa, éste vuelve a su ritmo normal. El nivel de corriente para lograr esta condición oscila entre 1 y 6 A. • Daños físicos y quemaduras. Se obtiene con corrientes superiores a 10 A (sobre todo en corrientes de corta duración). La resistencia del cuerpo humano causa quemaduras, principalmente en los puntos de entrada debido a la densidad de corriente en el punto de contacto. De este modo, la alta tensión provoca la destrucción de los tejidos entre puntos de elevada resistencia de contacto.

Parámetros que Modifican los Efectos Fisiológicos Los efectos fisiológicos debido a la electrocución, como se dijo anteriormente, dependen del valor absoluto de la intensidad, duración, trayectoria de la corriente a través del cuerpo y frecuencia (en el caso de tratarse de una corriente alterna).

4 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos El trayecto más peligroso es el que atraviesa el tórax (generalmente fatal) ya que puede provocar la pérdida del ritmo cardíaco haciendo que entre en la condición denominada fibrilación ventricular. Los experimentos realizados con animales para determinar la intensidad de corriente y el tiempo de duración del pulso para alcanzar ese estado, abarcan desde los 400 mA, durante 5 ms, hasta 75 mA, durante 5 s. Una corriente que apenas haga cosquillas en las manos de un individuo en condiciones normales, puede ser suficiente para provocar la muerte a un paciente debilitado, cuando los electrodos se aplican bajo su piel (a causa de los bajos valores de resistencia). La frecuencia de las señales bioeléctricas del organismo son del orden de la frecuencia de la red eléctrica. Debido a esto, los niveles de corriente que pueden producir la fibrilación son bajos. Si la frecuencia de la corriente aplicada es mayor, por lo general el riesgo eléctrico disminuye. Una corriente eléctrica de 200 mA a 50 Hz produce un efecto fisiológico mayor que una de 200 mA a 2 kHz. Una cierta magnitud de corriente continua provoca daños menores que la misma magnitud a una frecuencia de 50 ó 60 Hz. Mediante estudios estadísticos, el umbral de percepción de la corriente eléctrica para los hombres es de 1,1 mA mientras que para las mujeres es de 0,7 mA. Utilizando electrodos de ECG (Electrocardiografía), debido al gel aplicado, que disminuye la impedancia de contacto, el umbral de percepción se reduce a sólo 83 µA. Si el tiempo de exposición a la corriente eléctrica es mayor, los efectos fisiológicos producidos también serán mayores. Diversos estudios empleando animales de diferentes tamaños, denotan que el umbral de fibrilación (nivel de corriente a partir del cual se activa dicho estado) aumenta conforme al peso del cuerpo.

El Peligro de la Electrocución La resistencia del cuerpo humano varia entre 1 kΩ y 100 kΩ, y la mayor parte de ésta se debe a la resistencia de contacto. Se suele aceptar un valor promedio de 5 kΩ como resistencia del cuerpo humano. Es la intensidad que circula por el cuerpo la que puede producir la muerte, siendo la condición más riesgosa para la electrocución, cuando los puntos de contacto son entre la mano izquierda y el pie derecho.

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Existen infinidad de condiciones que generan peligros de electrocución como ser: enchufes rotos, conductores pelados o con deficiencia en su aislamiento, falta de circuito de tierra en la instalación, etc. Otra causa, puede ser provocada por sistemas de conexión a tierra incompatibles. Por ejemplo, si un equipo se encuentra conectado a tierra en un punto cuyo potencial es casi cero, y otro equipo, conectado al mismo paciente, toma una referencia de tierra de diferente potencial que la anterior, se va a producir una circulación de corriente entre ambos puntos de tierra y a través del paciente que, dependiendo de la magnitud, puede llegar a electrocutarlo (ver la Fig. 1.1). O sea, si dos equipos se conectan a la tierra de dos tomacorrientes conectados a diferente potencial de tierra, puede haber una corriente denominada lazo de tierra que circule a través del paciente. Esto a menudo se presenta en instalaciones que fueron creciendo sin una debida planificación y no poseen una conexión de tierra común para todos los tomacorrientes.

B A

Equipo X

Equipo Y VB VA I

VA

VB A

B

Fig. 1.1. Lazo de tierra. Si existe una diferencia de potencial entre los puntos de tierra A y B, circulará una corriente por el paciente.

Por lo tanto, las pérdidas de cualquier tipo entre dos equipos con los cuales el paciente tuviera contacto podrían producirle la muerte, especialmente cuando los electrodos de aplicación del instrumento superan la resistencia natural de la piel, por estar insertados en una vena o arteria, o al reducirse deliberadamente la resistencia por medio de la humectación o la aplicación de ungüentos conductores. La eliminación del lazo de tierra se puede lograr conectando todos los equipos a un mismo potencial de tierra mediante un cable de sección adecuada (ver la Fig. 1.2).

6 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Fig. 1.2. Eliminación del lazo de tierra.

Equipo X

Equipo Y X

Sistema de Protección de Puesta a Tierra Este sistema de protección se propone evitar que se produzca una tensión de valor peligroso sobre las partes metálicas de los equipos o las instalaciones (ver la Fig. 1.3).

Punto de contacto

Falla de aislación Alimentación de red

Tierra Carcasa

Camino de la corriente Tierra

Fig. 1.3. Accidente por falla de aislación en el conductor vivo dentro de un equipo sin protección de tierra.

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Los aparatos eléctricos que poseen gabinetes metálicos, conectan eléctricamente el mismo a la tierra mediante un terminal específico de su ficha de alimentación (por ejemplo, ficha monofásica con tierra). Si por un desperfecto interno del equipo (problema de aislamiento, fugas, etc.), aparece sobre su cobertura metálica una diferencia de potencial, esto generará una corriente de fuga a tierra que hará que las protecciones de sobrecorriente o diferenciales actúen, anticipándose al riesgo eléctrico. Es de suma importancia disponer en la instalación de una puesta a tierra adecuada, con conductores normalizados que permitan su identificación (color verde y amarillo, y sección superior a los 2,5 mm2), y con tomacorrientes y fichas que brinden la conexión al equipamiento utilizado (información adicional en Reglamentación para la Ejecución de Instalaciones Eléctricas en Inmuebles de la AEA, Sección 771; Viviendas, oficinas y locales, y Sección 710; Locales para uso médico). Los equipos se deben conectar en forma individual al punto de tierra y no tomar la tierra de otro dispositivo vecino, dado que si uno de los equipos intermedios pierde la referencia de tierra, entonces quedará una cierta cantidad de aparatos sin protección.

Sistema de Protección Mediante Interruptores Diferenciales Los interruptores diferenciales ofrecen una protección confiable cuando por contacto directo involuntario de partes activas fluye una corriente por el cuerpo humano (ver la Fig. 1.4). Esta circulación se debe a que el individuo es quién cierra el circuito eléctrico entre el punto bajo tensión (con un determinado potencial) y tierra (de potencial cero). La Fig. 1.5 muestra los componentes fundamentales que integran este dispositivo: el núcleo magnético toroidal, el mecanismo de disparo y el botón de prueba. En condiciones normales la corriente que pasa hacia la carga retorna por el interruptor. El flujo resultante en el núcleo magnético toroidal, entonces, es nulo y no se produce una activación del mecanismo de disparo. Al producirse una falla de aislamiento o fuga de corriente, ésta no retorna por el interruptor, creándo un flujo magnético en el núcleo que es utilizado por el mecanismo de disparo para seccionar (desconectar) la carga.

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Fig. 1.4. Ejemplos de contacto indirecto involuntario.

Fig. 1.5. Esquema interno de un interruptor diferencial.

De este modo el interruptor diferencial realiza la suma de las corrientes que ingresan a la instalación y al valor resultante se le resta la suma de las corrientes que retornan a través de él. Si no existen fugas a tierra, ambos valores serán iguales y el resultado de la resta será cero. En cambio, si parte de la corriente que ingresa a la instalación se deriva a tierra y no regresa a través del núcleo, la resta de las corrientes entrantes y salientes no será cero y provocará, en el caso de superar un determinado valor llamado umbral de sensibilidad, el disparo del interruptor (ver la Fig. 1.6). Cuando actúa el mecanismo de disparo se realiza en forma instantánea la apertura de los contactos principales.

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El umbral de sensibilidad fija, de este modo, la corriente de defecto a tierra máxima que puede circular sin que actúe el mecanismo de disparo. Los niveles de sensibilidad oscilan entre 10 mA y 30 mA para protección de personas, y de 300 mA para protección contra incendios provocados por causas eléctricas debido a fallas de aislamiento.

Fig. 1.6. Si IF es mayor al umbral de sensibilidad del interruptor diferencial, se producirá un disparo del mismo.

Cuando se tocan partes activas, existen dos resistencias que determinan la intensidad de la corriente circulante: la resistencia interna de la persona RM y la de contacto RSt (ver la Fig. 1.7). Para el análisis de un accidente se debe considerar el caso más desfavorable, cuando la resistencia de contacto del lugar es próxima a cero. Como se mencionó anteriormente la resistencia del cuerpo humano depende del recorrido de la corriente (por ejemplo, una trayectoria de mano a mano tiene una resistencia aproximada de 1 kΩ). La Fig. 1.8 muestra los rangos de intensidad de corriente de defecto según la norma IEC 60 479. Allí se pueden apreciar 4 zonas que caracterizan diferentes condiciones de riesgo y efectos fisiológicos en función de la magnitud y el período de tiempo que circula corriente por el cuerpo.

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Fig. 1.7. El valor de la corriente circulante por el cuerpo (IM) depende del valor de la resistencia interna de la persona (RM) y la resistencia de contacto del lugar (RSt).

Fig. 1.8. Efectos fisiológicos según la norma IEC 60 479.

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 11

Los interruptores diferenciales poseen un botón de prueba. Al pulsarlo, parte de la corriente de entrada retornará a la red a través de una resistencia conectada en serie a dicho botón (ver la Fig. 1.9.a). Como esta corriente no retorna a través del núcleo, no podrá ser sensada y se comportará como una falla. Entonces, el valor de la resta entre las corrientes entrantes y de retorno será mayor al umbral de sensibilidad, y aparecerá un flujo magnético en el núcleo que accionará el disparador abriendo los contactos principales del interruptor. La prueba semestral garantiza que el interruptor diferencial se encuentre en condiciones de operación apropiadas, tanto eléctricas como mecánicas. En la Fig. 1.9.b se puede apreciar la disposición física del botón de prueba.

Fig. 1.9.a) Conexionado interno del botón de prueba. b) Interruptor diferencial bipolar marca ABB.

Cuando se utilice una protección diferencial, de todos modos, se debe conectar un conductor de puesta a tierra a las partes de la instalación y a los aparatos a proteger. De esta manera, sólo podrá circular corriente por una persona, cuando existan dos fallas simultáneas.

Sistema de Protección Mediante Interruptores Termomagnéticos Los interruptores termomagnéticos se utilizan por lo general para proteger contra sobrecargas y cortocircuitos, a los cables y conductores eléctricos de una instalación evitando calentamientos excesivos. Estos interruptores disponen de un disparador térmico (bimetal) con retardo, dependiente de la sobrecarga en función del tiempo, para sobreintensidades bajas; y un disparador electromagnético para sobreintensidades mayores y de cortocircuito. Para cada caso de aplicación se dispone de distintas características de disparo como las mostradas en la Fig. 1.10.

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Fig. 1.10. Características de disparo según las normas EN 60 898, DIN VDE0641, parte 11.

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La característica de disparo A se aplica para protección limitada de semiconductores, para protección de circuitos de medición con transformadores y para circuitos con conductores de gran longitud y con requerimientos de desconexión de 0,4 s. La B se utiliza para protección de conductores en circuitos de tomacorrientes. La curva C se usa para la protección general de conductores, especialmente ventajosos en elevadas corrientes de arranque (motores, lámparas, etc.). La curva D posee un rango de disparo adaptado a elementos que generan fuertes impulsos de corriente de conexión, tales como transformadores, válvulas electromagnéticas, etc. El parámetro de selección de mayor importancia en un interruptor termomagnético es la corriente nominal o de servicio. Un interruptor que indica sobre el frente la sigla C25, significa que posee una característica de disparo tipo C y una corriente de servicio de 25 A. Los interruptores termomagnéticos, por lo general, pueden trabajar también con corrientes continuas con las mismas especificaciones dadas para corriente alterna, debiéndose verificar la tensión máxima de operación por vía de corriente que soporta el modelo utilizado. Un interruptor termomagnético se puede conectar aguas arriba o aguas abajo de un interruptor diferencial logrando la misma protección. El cableado de entrada al interruptor se puede hacer por los bornes superiores o inferiores, indistintamente (preferentemente por los bornes superiores para respetar la numeración y obtener una correcta aislación en sus conexiones). Si se utiliza un interruptor termomagnético con más vías de corriente que las existentes en la instalación (por ejemplo, un interruptor trifásico en una instalación monofásica), no deben quedar polos del interruptor libres de conexión, debiéndose conectar en serie a otra vía de corriente en uso.

Macroshock y Microshock Existen básicamente dos tipos de electrocución; el macroshock y el microshock. El macroshock está relacionado con la circulación de corriente sobre la superficie corporal, donde sólo un pequeño porcentaje de la energía total atraviesa el músculo cardíaco (ver la Fig 1.11.a). El microshock se refiere a aquellos casos en los cuales el paciente tiene un catéter conectado al corazón, donde una pequeña corriente que allí se genere puede ocasionar grandes daños e incluso la muerte (ver la Fig. 1.11.b). Diversos experimentos demuestran que el rango de corrientes que producen fibrilación en casos de microshock es de 80 a 600 µA. El límite de seguridad aceptado por norma para prevenir microshocks es de 10 µA. Por lo tanto, no se puede proteger de un microshock a un paciente mediante el uso de interruptores diferenciales, con umbrales de sensibilidad de 10 ó 30 mA. La única forma de hacerlo es conectando el equipamiento electromédico a una red del tipo IT, utilizando transformadores de aislación (esto será desarrollado más adelante en Suministro de Energía en Salas del Grupo 2).

14 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Fig. 1.11. Distribución de la corriente por el cuerpo según los puntos de entrada.

La protección contra el shock eléctrico que brindan los equipos alimentados externamente (desde la red eléctrica y no por baterías) se puede clasificar en Clase I o Clase II, según las siguientes consideraciones: •

Clase I. Poseen una aislación básica y una protección suplementaria de tierra. La aislación básica consiste en una aislación entre las partes vivas y las

conductoras expuestas, como ser la envoltura metálica. La protección suplementaria de tierra se logra utilizando una ficha de alimentación con tres terminales. Luego, el cable de tierra se conecta a las partes accesibles de metal del equipo. Esta protección entra en juego cuando una falla vuelve viva una parte conductora externa. La corriente de falla desde el vivo a tierra causa el disparo de algún dispositivo de protección de la instalación. Los equipos de Clase I no necesariamente poseen chasis metálico. •

Clase II. Son equipos de doble aislación de seguridad. Poseen una protección

básica dada por una primera capa de aislación y una protección suplementaria dada por una segunda capa. Algunos equipos que pertenecen a este grupo disponen de una aislación reforzada, compuesta por una capa simple de aislación que provee el mismo grado de protección que una aislación doble. Por lo general, estos equipos tienen un cable de alimentación con ficha de dos patas. Sin embargo, algunos equipos Clase II poseen para su conexión de alimentación una ficha de tres contactos. Para los equipos de aplicación biomédica se especifica además un grado de protección contra shock eléctrico, denominado tipo B, BF ó CF (ver la Tabla 1.1), de acuerdo a la norma IEC 60513 (aspectos fundamentales de seguridad para equipamientos electromédicos).

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 15 Tabla 1.1. Grado de protección contra shock eléctrico en equipos electromédicos según norma IEC 60513.

Tipo

Simbología

B

BF

CF

Descripción Equipos que proveen un grado particular de protección contra shock eléctrico considerando las corrientes de fuga permisibles y la fiabilidad de la conexión de tierra protectiva (si tiene). Equipos similares al tipo B, pero con partes aplicables aisladas o flotantes (tipo F). Equipos que proporcionan un grado mayor de protección que el tipo BF, particularmente con respecto a las corrientes de fuga, y que poseen partes aplicables flotantes. Son equipos que permiten una aplicación cardiaca directa.

Código IP para la Clasificación de la Protección de la Carcasa Las envolventes de los aparatos brindan un grado de protección para el equipo contra la penetración de cuerpos sólidos externos y de agua con efecto perjudicial. También, brindan protección a las personas contra el contacto de partes peligrosas. Esta protección viene indicada por las cifras IPxx (por ejemplo: IP20, IP56, etc.), donde la primera cifra indica el grado de protección contra el ingreso de sólidos y contra el contacto de partes peligrosas para las personas. La segunda cifra indica el grado de protección contra la penetración de agua (ver ejemplo en la Tabla 1.2). Tabla 1.2. En un equipo IP45 no pueden penetrar cuerpos sólidos mayores a 1 mm de diámetro, no es posible tener contacto con partes peligrosas utilizando un alambre, y está protegido contra chorros de agua (no a presión).

IP 45

Protección del equipo eléctrico contra la penetración de cuerpos sólidos extraños:

Protección de las personas contra el contacto de partes peligrosas:

Protección del equipo eléctrico contra la penetración de agua con efecto perjudicial:

0 : Sin protección 1 : >= 50 mm de diámetro 2 : >= 12,5 mm de diámetro 3 : >= 2,5 mm de diámetro 4 : >= 1 mm de diámetro 5 : Protección contra el polvo 6 : Estanco al polvo X : Sin consideración

0 : Sin protección 1 : Dorso de la mano 2 : Dedo 3 : Herramienta 4 : Alambre 5 : Alambre 6 : Alambre X : Sin consideración

0 : Sin protección 1 : Gotas verticales 2 : Gotas con hasta 15 grados de inclinación 3 : Agua pulverizada 4 : Salpicaduras de agua 5 : Chorros de agua 6 : Chorros de agua a presión 7 : Inmersión pasajera 8 : Sumergimiento permanente X : Sin consideración

16 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Clasificación de las Salas para Uso Médico Con relación a las medidas necesarias para la protección contra los riesgos eléctricos en caso de fallas, las salas para uso médico se clasifican en grupos de aplicación 0; 1 ó 2. •

Salas del grupo de aplicación 0. Éstas son salas donde se asegura que: o No se emplean aparatos electromédicos, o o Los pacientes no entran en contacto con equipos electromédicos, o se utilizan equipos electromédicos que están permitidos para su aplicación al paciente, hasta incluso fuera de las salas, o o Se operan equipos electromédicos que se alimentan exclusivamente por baterías.

•

Salas del grupo de aplicación 1. Éstas son salas donde se utilizan equipos electromédicos conectados a la red, con los cuales los pacientes entran en contacto durante el examen o el tratamiento. Ante una primera falla eléctrica a masa o a tierra en la instalación, se permite la desconexión automática del suministro de energía (mediante protecciones), o un corte de la red general, sin que por ello se ponga en peligro a los pacientes. Los exámenes o los tratamientos se pueden interrumpir y repetir.

•

Salas del grupo de aplicación 2. Éstas son salas donde también se utilizan equipos electromédicos conectados a la red, pero que sirven para intervenciones quirúrgicas o para mediciones en el organismo de interés vital. Estos equipos deben poder seguir operando ante una primera falla eléctrica a masa o a tierra, y/o ante un corte en el suministro de la red pública, ya que los exámenes o los tratamientos no se pueden interrumpir y repetir, sin que impliquen un daño para los pacientes en cuidado crítico. La asignación de los diferentes tipos de salas a los Grupos de Aplicación se determina según la utilización médica prevista y el equipamiento médico a emplear. Es por ello que ciertos tipos de salas pueden estar vinculadas a más de un grupo de aplicación. En la Tabla 1.3 se brindan algunos ejemplos.

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 17 Tabla 1.3. Ejemplos de asignación de distintos tipos de salas a los Grupos de Aplicación.

Grupo

0

1

2

Tipo de Sala

De esterilización para cirugías De lavado para cirugías De internación Para terapia física Para hidroterapia De masajes Consultorios de medicina humana y dental Para diagnóstico radiológico y tratamiento Para diálisis De parto Ambulatorios quirúrgicos De internación De preparación para cirugías De cirugías Para yesos quirúrgicos De examen intensivo De cuidados intensivos De endoscopia Para diagnóstico radiológico y tratamiento Para cateterismo cardíaco para diagnóstico y tratamiento Clínicas de parto Para diálisis de emergencia o aguda De neonatología

Utilización

No se utiliza equipamiento electromédico Equipos electromédicos empleados a través de aberturas naturales del cuerpo, o con intervenciones quirúrgicas menores (cirugía menor)

Operaciones de órganos de todo tipo (cirugía mayor), introducción de catéteres en el corazón (cateterismo cardíaco), introducción quirúrgica de partes de equipos electromédicos, mantenimiento de las funciones vitales con unidades (respiradores, marcapasos, etc.), intervenciones a corazón abierto

Suministro de Energía en Salas del Grupo 2 Expresaremos a continuación los requisitos particulares para las instalaciones eléctricas en salas de cirugía (quirófanos) y salas de cuidados críticos, así como las condiciones necesarias para la instalación del equipamiento electromédico allí empleado. Con el fin de lograr un abastecimiento seguro a los equipos utilizados en intervenciones quirúrgicas y medidas vitales, se requiere implementar una red IT de uso médico mediante un transformador de aislación (ver la Fig. 1.12).

18 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Red de alimentación general

F1 F2 F3 N CP

Fusible o interruptor magnético sólamente

F1 Pt100 Transformador de aislación para uso médico

Red IT

I

Dispositivo de vigilacia de aislamiento, temperatura y sobrecarga

F' N' CP'

Interruptor diferencial

F2

Interruptor termomagnético

F3

Red de iluminación general Respirador. Monitor de cabecera. Desfibrilador. Lámpara de quirófano, etc.

PT

Cuadro de alarmas del dispositivo de vigilancia

Interruptor

F3 termomagnético

Línea de tomacorrientes a más de 2,5 m de la camilla del paciente

Marco metálico de ventanas. Radiadores de calefacción local. Armario metálico para instrumentos. Partes metálicas de suministros de agua, etc.

EE

Fig. 1.12. Distribución interna en las salas del grupo 2.

Se deberán tener las siguientes consideraciones adicionales: •

Puesta a Tierra de Protección. Las instalaciones eléctricas en quirófanos y salas de cuidados intensivos deberán disponer de un suministro trifásico con neutro (N) y conductor de protección (CP). Tanto el neutro como el conductor de protección deberán ser conductores de cobre con aislamiento a lo largo de toda la instalación. La impedancia entre el punto común de puesta a tierra de cada sala de intervención y los contactos de tierra de las bases de toma de corriente, no deberá exceder de 0,2 Ω.

•

Conexión de Equipotencialidad. Todas las partes metálicas accesibles han de estar unidas a un punto de equipotencialidad (ver EE en la Fig.1.12), mediante conductores de cobre aislados e independientes. Se deberá emplear la identificación verde-amarillo para los conductores de equipotencialidad y para los de protección. La impedancia entre las partes mencionadas y el punto de equipotencialidad no deberá exceder de 0,1 Ω. El punto de equipotencialidad (EE) estará unido al de puesta a tierra de protección (ver PT en la Fig. 1.12) por un conductor aislado color verde-amarillo de sección no inferior a 16 mm2 de cobre. La diferencia de potencial entre las partes metálicas accesibles y el punto de equipotencialidad (EE) no deberá exceder de 10 mV eficaces en condiciones normales.

•

Suministro a Través de un Transformador de Aislación. En las salas del grupo 2, es obligatorio el empleo de transformadores de aislación para lograr la

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 19

separación de los circuitos (red IT), como mínimo uno por cada quirófano o sala de intervención. Es de suma importancia incrementar la fiabilidad de la alimentación eléctrica a aquellos equipos en los que una interrupción del suministro puede poner en peligro, directa o indirectamente, al paciente o al personal implicado. Los transformadores de aislación permiten limitar las corrientes de fuga a tierra que se pudieran producir debido a que ninguno de los bornes de salida están referidos a la tierra o potencial cero de la entrada, aumentando así la disponibilidad del sistema. En forma conjunta con dicho transformador se utiliza un dispositivo de vigilancia del nivel de aislamiento del mismo, el cual indica una alarma si los niveles de aislamiento están por debajo de los niveles permitidos. Por otra parte se debe efectuar una adecuada protección contra sobreintensidades del propio transformador y de los circuitos por él alimentados. Para ello se utiliza un transformador de intensidad que sensa la corriente a la salida del transformador de aislamiento sin estar intercalado en la red de alimentación (tipo pinza amperométrica) y reporta dicha medición a un dispositivo de monitoreo de sobrecarga. Este dispositivo indica en un cuadro de mando si existe una excesiva corriente a la salida del transformador de aislamiento. Por otra parte, también es el encargado de monitorear la temperatura del transformador para evitar sobrecalentamientos. El valor de medición de la temperatura llega a éste mediante un PTC integrado en el núcleo del transformador de aislamiento. Es de suma importancia la coordinación de las protecciones contra sobreintensidades de todos los circuitos y equipos alimentados a través de un transformador de aislamiento, con objeto de evitar que una falta en uno de los circuitos pueda dejar fuera de servicio la totalidad de los sistemas alimentados a través del transformador. Se dispondrá de un cuadro de mando por quirófano o sala de intervención, situado fuera del mismo, fácilmente accesible y en sus inmediaciones. Éste deberá incluir la protección contra sobreintensidades, temperatura y el dispositivo de vigilancia del nivel de aislamiento. Es muy importante que todos los mandos sean de fácil acceso y queden perfectamente identificados. El cuadro de alarma del dispositivo de vigilancia del nivel de aislamiento deberá estar en el interior de la sala y ser fácilmente visible y accesible, con posibilidad de sustitución fácil de sus elementos. En el caso de ocurrir un problema de fuga a tierra (aislamiento) o de sobreintensidad, los dispositivos de vigilancia no interrumpen el suministro de alimentación sino que informan a través del panel de alarmas la anomalía para que el médico responsable decida si continúa o no, actuando sobre el panel del mando. Los dispositivos alimentados a través de un transformador de aislamiento no se deben proteger con interruptores diferenciales en el primario ni en el secundario del transformador. Se deberá instalar una protección contra

20 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos cortocircuito en el primario (protección magnética solamente) para proteger la instalación en el caso que una falla de este tipo se produzca. •

Alimentación de Otros Aparatos y Equipos Electromédicos. En las salas del grupo 2 se requiere un suministro a través de una alimentación independiente a la de la red IT, para otros aparatos y equipos electromédicos, por ejemplo para la iluminación general y otros tomacorrientes (utilizados para alimentar equipos de limpieza, computadoras, etc.). Para estos equipos no es indispensable, y a veces hasta inconveniente, prever una red IT. Los tomacorrientes en las salas del grupo de aplicación 2 alimentados desde una red distinta de la red IT, deberán tener un cartel de advertencia, para evitar que se conecten equipos biomédicos en contacto con el paciente. Se sugiere que estén instalados a una distancia mínima de 2,5 m de la posición de la camilla del paciente. Para esta alimentación se emplearán dispositivos de protección diferencial de 10 ó 30 mA de sensibilidad, que brindarán la protección individual a aquellos equipos que no estén alimentados a través de un transformador de aislamiento, aunque el empleo de los mismos no exime de la necesidad de puesta a tierra y equipotencialidad. Por ejemplo, cuando la instalación de alumbrado general se sitúe a una altura del suelo inferior a 2,5 metros, o cuando sus interruptores presenten partes metálicas accesibles, deberá ser protegida contra los contactos indirectos mediante un dispositivo diferencial. Se dispondrán las correspondientes protecciones contra sobreintensidades y cortocircuitos (por ejemplo, llaves termomagnéticas).

Disponibilidad del Suministro Eléctrico La seguridad en el suministro de energía eléctrica es un hospital es particularmente importante. Por eso se recomienda, incluso en pequeños hospitales, alimentarse a través de distintos transformadores, a fin de que el hospital siga abasteciéndose de la red pública, incluso en el caso que se averíe uno de ellos. Por otra parte, es recomendable disponer de un suministro complementario de reserva, por ejemplo un generador, que brinde energía eléctrica ante un corte general de la red pública. Además del suministro complementario de reserva requerido en las instalaciones electromédicas, es obligatorio para las salas del grupo 2 disponer de un suministro especial complementario, por ejemplo con baterías, para hacer frente a las necesidades de la lámpara de quirófano y equipos de asistencia vital, debiendo entrar en servicio automáticamente en menos de 0,5 segundos (corte breve) y con una autonomía no inferior a 2 horas. Cabe aclarar que la lámpara de quirófano deberá estar siempre alimentada a través de un transformador de aislamiento. Todo el sistema de protección deberá funcionar con idéntica fiabilidad, tanto si la

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 21

alimentación es realizada por el suministro normal, como por el complementario (ver la Fig. 1.13).

Fig. 1.13. Diagrama unifilar de distribución de una institución de salud.

En el caso de una perturbación de la red general, la UPS (ver la Fig. 1.14) deberá alimentar por un tiempo determinado los equipos médico-técnicos y servicios imprescindibles del hospital hasta que el generador entre en servicio.

Fig. 1.14. Esquema en bloques de una UPS (fuente de alimentación ininterrumpida).

En los tableros de distribución que contienen el transformador de aislación para la red IT (tableros propios o separados de otros gabinetes de distribución comunes),

22 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos se deberán disponer de dos circuitos de alimentación independientes, uno preferencial y otro secundario. Ante una falla en uno de ellos, el suministro de energía debe ser conmutado en forma automática. Se deberá ejecutar la instalación de los dos alimentadores lo más separadamente posible, o al menos en 2 canalizaciones de cables independientes para evitar que una única falla eléctrica, mecánica o fuego inutilice ambas alimentaciones al mismo tiempo.

Compatibilidad Electromagnética (CEM) Las normas internacionales definen a la Compatibilidad Electromagnética (CEM) como: la aptitud de un dispositivo, aparato o sistema para funcionar en su entorno electromagnético en forma satisfactoria y sin producir perturbaciones electromagnéticas intolerables para cualquier otro dispositivo situado en el mismo entorno. Según la intensidad de la perturbación podemos clasificarla en diferentes niveles: •

Nivel de susceptibilidad: es el nivel de perturbación a partir del cual un dispositivo o un sistema empieza a funcionar mal. • Nivel de inmunidad: es el nivel normalizado de perturbaciones que puede soportar un dispositivo o un sistema. • Nivel de compatibilidad electromagnética: es el nivel máximo especificado de perturbaciones que cabe esperar es un entorno dado. • Límite de emisión: es el nivel normalizado de emisión que un dispositivo no debe superar. Esto significa que el nivel de inmunidad de cada aparato debe ser tal que su entorno no lo perturbe, y su nivel de emisión debe ser lo suficientemente bajo como para no perturbar los aparatos situados en su entorno electromagnético. La Fig. 1.15 representa los niveles antes mencionados. Nivel de perturbación

Fig. 1.15. Niveles de perturbación.

Margen de inmunidad

Nivel de susceptibilidad Nivel de inmunidad Nivel de compatibilidad electromagnética Límite de emisión

0

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 23

Transmisión de las Perturbaciones Electromagnéticas Acoplamientos Constituyen el mecanismo mediante el cual las perturbaciones electromagnéticas afectan a los distintos dispositivos, ellos pueden ser: •

Acoplamientos por conducción. Éstos se efectúan mediante las líneas de

•

Acoplamientos por radiación. Se efectúan a través del medio ambiente (aire). Una corriente que circula por un conductor eléctrico genera un campo magnético que es irradiado a su alrededor. Cuando un conductor eléctrico forma un bucle, el cual está inmerso en un campo magnético variable, aparece una tensión inducida entre sus bornes.

alimentación internas, las líneas de transmisión de datos, las líneas de control, los conductores de masa y tierra, las capacidades parásitas, etc. En una conexión bifilar la señal útil se puede desplazar de dos formas, en modo diferencial o en modo común. El modo diferencial permite mayor inmunidad a la interferencia gracias a los circuitos de entrada diferencial que anulan la componente de ruido que se induce de forma similar en ambos cables. Si la información se propaga en modo común, resulta más difícil discriminar el ruido de la señal útil.

Desacoplamientos El transformador normal permite cambiar el régimen de neutro en cualquier punto de la instalación. El mismo garantiza un buen aislamiento galvánico, pero sólo en baja frecuencia (resistencia entre primario y secundario mayor a 10 MΩ a 50 Hz). Para obtener un aislamiento galvánico adecuado en alta frecuencia, será necesario utilizar un transformador de pantalla doble, el cual bloquea y conduce las corrientes de modo común hacia las masas (resistencia entre primario y secundario alrededor de 80 Ω a 2 kHz). Los fabricantes de equipamiento electromédico especifican el nivel de emisión e inmunidad. Sin embargo no existe una normativa que especifique sobre los niveles de CEM que pueden producir riesgos para el paciente. Los efectos presentados en los equipos a causa de interferencias electromagnéticas suelen ser: ruido en la forma de onda de señales fisiológicas (ECG, EMG, EEG, etc.), cambio modo de operación (en marcapasos, respiradores, etc.), funcionamiento erróneo de sensores, activación de alarmas, mal funcionamiento de equipos de diagnóstico por imágenes, etc. En particular, los equipos de resonancia magnética requieren la generación de campos magnéticos estables y son, debido a

24 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos esto, susceptibles a la interferencia de campos externos. Por lo tanto, en una sala que alberga un equipo de estas características debe existir un blindaje electromagnético que impida que las ondas de radiofrecuencia entren a la sala, y que además las ondas producidas por el equipo salgan al exterior. Esto se logra instalando un blindaje metálico conectado a tierra sobre las paredes, techo y piso, llamado jaula de Faraday. El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo y, por lo tanto, que se anulen los efectos de los campos.

Capítulo 2

Electrocardiografía

Introducción La función principal del corazón es la de comportarse como una bomba destinada a mantener la sangre en movimiento. Para lograrlo, el corazón recurre a un estímulo eléctrico (potencial de acción) espontáneo que se origina en el nódulo sinusal, y es transmitido muy rápidamente, a través del sistema específico de conducción, a la masa muscular miocárdica, generando así la contracción coordinada del músculo cardíaco. Las células miocárdicas son eléctricamente excitables debido a que tienen la capacidad de dejar fluir iones a través de su membrana. El flujo de iones se traduce en una corriente transmembrana y en una diferencia de potencial entre el interior y exterior celular. Esta actividad eléctrica se registra mediante electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo, de los cuales se obtiene la denominada señal electrocardiográfica, que es la variación temporal del potencial eléctrico en un punto, resultado de la integración de los potenciales de acción de un conjunto de células del músculo cardíaco. Un electrocardiógrafo es el aparato electromédico encargado de procesar y representar la señal electrocardiográfica captada por los electrodos. Su representación en función del tiempo da como resultado distintas inflexiones, que se corresponden con el paso del estímulo eléctrico. La electrocardiografía comienza con Burdon-Sanderson y Page, y alcanza su verdadera aplicación clínica con Einthoven en el año 1903. Desde entonces el registro electrocardiográfico de superficie ha sido ampliamente utilizado como una herramienta para el análisis y el diagnóstico no invasivo, de la actividad eléctrica del corazón.

26 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Conceptos Preliminares Fisiología y Circulación Cardiovascular Desde el punto de vista funcional se puede considerar que el corazón consta de dos mitades, una derecha y otra izquierda. La parte derecha, conocida como corazón derecho, está formada por la aurícula y ventrículo derechos, separados por la válvula tricúspide. La aurícula derecha se llena a través de la vena cava superior, que retorna la sangre de las extremidades superiores, y de la vena cava inferior, que retorna la sangre de los órganos del cuerpo y de las extremidades inferiores. Además de estas dos venas principales, también recibe la sangre que circula a través del anillo coronario. La sangre de la aurícula derecha pasa al ventrículo derecho al abrirse la válvula tricúspide. Desde el ventrículo derecho la sangre es impulsada a los pulmones por las arterias pulmonares. En los alvéolos pulmonares la sangre se oxigena y se convierte en sangre arterial, que retorna a la aurícula izquierda del corazón mediante la vena pulmonar. Esta circulación a través de los pulmones se denomina circulación pulmonar. En la circulación pulmonar, la diferencia de presión entre venas y arterias es pequeña, y también lo es la resistencia equivalente. Debido a esto el corazón derecho se puede considerar como una bomba de volumen. La mitad izquierda, conocida como corazón izquierdo, está constituida por la aurícula y ventrículo izquierdos, y separados por la válvula mitral. La sangre que proviene de los pulmones entra a la aurícula izquierda por la vena pulmonar y pasa al ventrículo derecho al abrirse la válvula mitral. El ventrículo izquierdo suministra sangre arterial oxigenada al resto del cuerpo través de la arteria aorta, y constituye la denominada circulación mayor. La circulación mayor es un circuito con una resistencia grande y una elevada diferencia de presión entre las arterias y las venas. Por este motivo, podemos considerar a la bomba constituida por el corazón izquierdo como una bomba de presión. Además de ser de mayor tamaño, el corazón izquierdo es de constitución muscular más robusta que el derecho ya que debe manejar presiones superiores suficientes para que la sangre circule por todas las partes del cuerpo. En la Fig. 2.1 se muestra un modelo simplificado de la circulación cardiovascular mediante un diagrama de tuberías. Si bien el modelo citado es adecuado para una explicación básica del sistema circulatorio, esta simplificación excesiva podría conducir a errores si se emplea en otro tipo de análisis más profundo. Los músculos que efectúan la acción de bombeo, y que circundan la cavidad del corazón, reciben su propia irrigación sanguínea a través de las arterias coronarias, que rodean al corazón formando una especie de corona. El sistema de arterias coronarias es una rama particular de la circulación mayor.

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 27

Vena cava superior

Cabeza

Oxígeno

Oxígeno O2

Brazos

CO2

Vena pulmonar

Pulmón derecho

Pulmón izquierdo

O2

Arteria pulmonar

Aurícula derecha Válvula tricúspide

Ventrículo derecho Seno coronario

Válvula semilunar

Aurícula izquierda

CO2 Arterias coronarias

Válvula mitral

Fig. 2.1. Modelo simplificado de la circulación cardiovascular.

Ventrículo izquierdo Válvula aórtica

Vena cava inferior

Aorta

Órganos internos

Piernas

Potencial de Acción Todas las células vivas poseen un potencial eléctrico entre su interior y el medio líquido que las rodea, denominado potencial de reposo transmembrana. El interior celular es negativo respecto del exterior. El rango de los potenciales de reposo que podemos encontrar en la naturaleza va de 40 a 120 mV. Cuando las células son estimuladas adecuadamente, éstas responden produciendo un intercambio iónico entre el interior celular y el líquido intersticial exterior, que modifica el potencial de reposo. La magnitud de este cambio reversible dependerá de las propiedades eléctricas particulares del tipo de célula. Las células pueden clasificarse como muy excitables o poco excitables. Las poco excitables (células glandulares, epiteliales, etc.) son las que para producir un efecto relevante necesitan estímulos fuertes o bien iterativos. En cambio, las muy excitables, tales como las musculares y nerviosas, son aquéllas que responden produciendo un gran efecto ante estímulos leves y únicos. Además, esta clase de

28 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos células son las que generan mayores cambios en sus potenciales eléctricos de transmembrana como respuesta a los estímulos, cambios que se denominan potenciales de acción. La Fig. 2.2 muestra la distribución iónica de una célula cardíaca en reposo. Esto significa que existe un equilibrio entre las cargas eléctricas positivas, fuera de la célula, y las negativas intracelulares. La membrana celular es permeable, aunque con distintos valores de conductibilidad, al K+, Na++, Cl-, y Ca++, y en cambio es impermeable a todos los aniones grandes. La presencia en el interior de la célula de una gran cantidad de aniones que no pueden atravesar la membrana y son negativos, predominan ante la positividad del K+, que es el ión intracelular más importante. Estos aniones no difusibles tienen un papel importante en el mantenimiento del potencial transmembrana. Por otra parte el Na+ es el ión que predomina en el medio extracelular.

Na+ Ca++ K Cl+ + + + + + + + - - - - - - - +

+ + + +

-

A-

Aniones no difusibles (Interior celular) - - - - - - - + + + + + + + +

K+ Na+

Ca++ Cl-

* Cuanto mayor es el tamaño de la letra, más predominante es ese tipo de ión

+ + + +

Fig. 2.2. Distribución iónica de una célula cardíaca en reposo.

(Exterior celular)

Desde el punto de vista empírico, se puede considerar al Cl-, K+ y Na+, como los únicos iones formadores del potencial de reposo y generadores del potencial de acción. El Cl-, es el único anión capaz de atravesar la membrana celular, pese a que el valor de permeabilidad de la membrana al Cl- es bajo. Es por ello que el Cltiene un papel secundario en la generación de los potenciales celulares. El Cldifunde pasivamente, según la tendencia a lograr iguales concentraciones en el interior y el exterior celular, y según las cargas eléctricas en ambos lados de la membrana. Se recuerda que, una célula o una estructura cardíaca está en reposo cuando existe un equilibrio entre las cargas eléctricas positivas de la superficie externa y las cargas eléctricas negativas del interior celular (polarización). Mediante la aplicación de un estímulo externo se pueden alterar las concentraciones de cargas eléctricas de un lado y del otro de la membrana celular, haciendo que el potencial de reposo, de aproximadamente -90 mV, se haga cada vez más positivo (despolarización), hasta que se supera el potencial umbral de aproximadamente

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 29

-60 mV, momento en el cual se desencadenan una serie de cambios en la conductancia de la membrana celular que originan el potencial de acción. La despolarización celular significa entonces la pérdida del equilibrio inicial, y ocurre cuando es excitada. En este caso, se hace negativo el exterior celular y positivo el interior alcanzando un potencial transmembrana de +20 mV (ver la Fig. 2.3). El proceso de repolarización celular corresponde a la recuperación del equilibrio perdido y finaliza cuando se alcanza la polarización. La Fig. 2.3 muestra el potencial transmembrana de una célula cardíaca en reposo y excitada. K+

4 mEq/L + ++ + ++ + + ++ + + ++ __ _ _ _ __ _ _ _ __ _ _ + + Célula en _ _ Núcleo K reposo _ 150 mEq/L (no excitada) _ _ _ ___ _ _ _ __ _ __ _ + Na + + + + + + + + + + + + + + + 135 mEq/L

+ ++

_ _ _ _ _ _

++

+++

+

+

Membrana celular

+

+

+

Potencial transmembrana -90 mV Membrana celular

__

++

+

+ ++

+

+ ++

__ _ _ _ __ _ _ _ __ _ __ _ _ + ++ + ++ + + ++ + + + _ Núcleo _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

Célula excitada

+ + ++ ++ ++ ++ + ++ _ _ _ ___ _ _ _ __ _ _ _ _

__

Potencial transmembrana +20 mV

Fig 2.3. Potencial transmembrana de una célula cardíaca en reposo y excitada.

De acuerdo a lo expresado, los potenciales de acción constan de dos fases principales: despolarización y repolarización. Los potenciales de acción se propagan mejor cuando las células son muy excitables. La representación esquemática del potencial de acción de un músculo cardíaco, mostrado en Fig. 2.4, ilustra las diversas fases que lo componen y las corrientes asociadas con cada una de ellas.

30 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos Repolarización rápida inicial

Na+

Ca++ K+

Célula

Repolarización rápida tardía

+20 mV

Meseta

Na+ Na+

K+

Fig. 2.4. Potencial de acción de una estructura cardíaca. Fases que lo componen.

Célula

Célula

Reposo

- 90 mV

Despolarización

Eventos Bioeléctricos En la práctica clínica, los métodos de registro de la actividad eléctrica del organismo, captan las variaciones de potencial que se producen como consecuencia de los potenciales de acción de células nerviosas y musculares agrupadas en tejidos, siendo esto una herramienta de gran valor diagnóstico. La Fig. 2.5 muestra los rangos de frecuencia y de diferencia de potencial de algunas señales bioeléctricas comunes.

Ciclo Cardíaco El ciclo cardíaco consiste en la alternancia sucesiva de contracción (sístole) y relajación (diástole) de las paredes musculares de las aurículas y los ventrículos. Se puede dividir en tres períodos: a. Diástole. Es la fase del ciclo en la cual el músculo cardíaco se relaja. La sangre fluye desde las venas hacia las dos aurículas y las dilata llenándolas de sangre. b. Sístole Auricular. Ambas aurículas se contraen casi en forma simultánea. La masa de sangre en las venas evita el reflujo y fuerza la circulación a través de las válvulas mitral y tricúspide, que se abren con la corriente de sangre.

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 31

La sangre penetra entonces en los ventrículos que se encontraban en un estado de relajación. c. Sístole Ventricular. Sigue de inmediato a la sístole auricular. Se contraen los ventrículos mediante el acortamiento de las fibras musculares y la sangre de esa cavidad sale casi por completo por las arterias pulmonares y aorta. La contracción ventricular es más lenta, pero más enérgica. La sangre no puede volver a las aurículas debido a que se cerraron las válvulas mitral y tricúspide. El paso de la sangre de ambos ventrículos a las respectivas arterias está regulado por las válvulas sigmoideas (semilunar y aórtica), que evitan el reflujo de la sangre. Diferencia de potencial [mV]

EOG : Electrooculograma. Estudio que permite evaluar el movimiento de los músculos de los ojos EEG: Electroencefalograma. Estudio que permite diagnósticar la actividad eléctrica cerebral

ECG: Electrocardiograma

100

EMG: Electromiograma. Estudio que registra la actividad eléctrica muscular

10

EMG

1

ECG 0,1

EEG

EOG

0,01 0,1

1

10

100

1000

Frecuencia [Hz]

Fig. 2.5. Rangos de tensión y frecuencia de diversas señales bioeléctricas.

El ciclo cardíaco se repite entre 70 y 80 veces por minuto, y tiene una duración de alrededor de 0,8 s. La sístole auricular dura aproximadamente 0,1 s y la ventricular 0,3 s. Luego el corazón permanece relajado, durante la fase diastólica, un tiempo cercano a los 0,4 s, casi la mitad de cada ciclo cardíaco. Las células cardíacas contráctiles se despolarizan durante la diástole y están polarizadas en la sístole. En cada ciclo cardíaco el corazón emite sonidos. Dos de ellos son más pronunciados que el resto y continúan después de una breve pausa. El primer sonido es prolongado y coincide con el cierre de las válvulas tricúspide y mitral. El segundo tono es más corto y agudo y se debe al cierre brusco de las válvulas sigmoideas, principalmente al de la válvula aórtica (ver la Fig. 2.6).

32 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos Presión sanguínea [mm Hg] Sístole auricular

Sístole ventricular

Diástole

120

100

Cierre de la válvula aórtica Incisura

Aorta 80

10

Apertura de la válvula aórtica

Cierre de las válvulas tricúspide y mitral

Aurícula izquierda

5 Ventrículo izquierdo Sonidos cardíacos Primero

Segundo

Duración de cada fase [s] 0,1

0,3

0,4

Señal electrocardiográfica (ECG) R

P

T Q

S

Fig 2.6. Curvas de presión, sonidos y señal de ECG durante el ciclo cardíaco.

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 33

Automatismo Las contracciones del músculo cardíaco se originan partir de estímulos eléctricos generados por algunas células que tienen la propiedad de despolarizarse espontáneamente. Las células con mayor automatismo son las del nodo sinusal, porque son las que tienen la capacidad de originar más descargas por unidad de tiempo. Como veremos más adelante, estos estímulos se propagan en la estructura cardíaca y provocan la contracción auricular y ventricular en forma coordinada. Existe un automatismo secundario en la unión aurículo-ventricular cuya frecuencia es menor y si bien en condiciones normales se ve enmascarado por los estímulos del nodo sinusal, en caso de una deficiencia de éste, puede actuar como mecanismo de respaldo. La Fig. 2.7 muestra cómo el estímulo originado en el nodo sinusal se propaga hacia la unión aurículo-ventricular y el haz de Purkinje ventricular, donde también existe cierto automatismo, aunque de grado menor a los anteriores. Potencial de acción

Nodo sinusal

t

Potencial de acción

Unión aurículo ventricular

t Potencial de acción Haz de Purkinje ventricular

t

Fig. 2.7. Propagación del estímulo originado en el nódulo sinusal.

34 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Excitabilidad y Período Refractario La excitabilidad es la propiedad que tienen todas las células cardíacas de responder a un estímulo apropiado. Las células con algún grado de automatismo tienen la particularidad de despolarizarse espontáneamente (se autoexcitan), mientras que las células contráctiles se excitan al recibir un estímulo proveniente de una célula vecina. Se denomina período refractario al tiempo que tardan las células en recuperar su excitabilidad, es decir, en recuperar la capacidad de ser despolarizada por un estímulo.

Conductibilidad La conductibilidad es la capacidad que tienen las células cardíacas de conducir los estímulos a las estructuras vecinas. La Fig. 2.8 representa la variación normal en la duración de los potenciales de acción de tres células ventriculares próximas entre sí, que se activan en diferentes instantes de tiempo debido al retardo que se genera en la propagación del estímulo por la estructura cardíaca.

Fig. 2.8. Variación normal en la duración de los potenciales de acción en tres células ventriculares representativas.

Si establecemos una correlación con la señal electrocardiográfica, la cual analizaremos en detalle más adelante, podemos notar que la primera célula en despolarizarse (célula 1) marca el comienzo de la onda QRS y la última en hacerlo

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 35

(célula 3) establece el fin de la misma. La primera célula en despolarizarse es, a la vez, la primera en recuperar su excitabilidad y marca el comienzo de la onda T, cuyo fin lo define la repolarización de la última célula. El comienzo de la excitación en un ciclo cardíaco normal se origina en las células marcapasos del nodo sinusal, ubicado en la aurícula derecha. Desde allí se propaga a la aurícula izquierda y luego pasa al nodo A-V (aurículo-ventricular) donde es retrasado. Desde el nodo A-V la excitación se conduce a través del haz de His y de las fibras de Purkinje a los ventrículos derecho e izquierdo, provocando la contracción de los mismos. La propagación eléctrica a través de todas las células alcanza a todo el corazón en alrededor de 100 ms. En la Fig. 2.9 podemos apreciar la morfología de los potenciales de acción transmembrana de las diferentes estructuras cardíacas del sistema de conducción. Además, se muestra la velocidad de conducción del estímulo a través de cada estructura.

Fig 2.9. Morfología de los potenciales de acción transmembrana y velocidad de conducción del estímulo en las diferentes estructuras cardíacas.

Señal de ECG El conjunto de los potenciales de acción que se propagan por el tejido cardíaco, desfasados en el espacio y en el tiempo, pueden ser captados a nivel de la superficie corporal midiendo la diferencia de potencial entre dos puntos del cuerpo. La representación gráfica de la variación de dicha diferencia de potencial a lo largo del tiempo constituye el electrocardiograma. La señal registrada refleja la actividad eléctrica del corazón y presenta un comportamiento repetitivo en concordancia con los sucesivos ciclos cardíacos. En la Fig. 2.10 se puede apreciar la señal electrocardiográfica correspondiente a un ciclo cardíaco. Cada ciclo cardíaco esta representado en el electrocardiograma por una serie de ondas, que Einthoven las denominó P, Q, R, S y T, de acuerdo con su

36 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos orden de inscripción. La duración y amplitud de estas ondas tienen valores característicos y sus formas un patrón predeterminado. Cualquier alteración en estos parámetros es de suma importancia desde el punto de vista diagnóstico. Despolarización ventricular

Despolarización auricular

Pulso de prueba

Repolarización ventricular

R

1 mV

P Intervalo P-Q 140 dB

Impedancia de entrada

> 100 MΩ

Corriente de drenaje

< 10 µA

Sensibilidad detección del marcapasos

Duración: 0,1 - 2,5 ms; Amplitud: > 5 mV

Pantalla

Tipo Información representada

LCD 320 × 240 pixels. Luz de contraste ajustable 3 ondas de ECG Derivación seleccionada Modo de operación

88 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Detección de electrodo desconectado Información representada

Pulso cardíaco Filtro de CA. Filtro de movimiento Ganancia. Velocidad del papel Nombre e identificación del paciente

Impresora

Tipo

Térmica

Resolución

Vertical: 8 puntos/mm. Horizontal: 25 µm en 25 mm/s

Papel

8,5 × 11 pulgadas

Velocidad del papel

5, 25 ó 50 mm/s

Teclado

Tipo

De membrana de 46 teclas Continúa

Tabla 2.4. Continuación.

Funciones especiales

Filtro anti-desvíos (ADS)

Compensación automática de las fluctuaciones de línea base, causada por variaciones en el potencial de los electrodos

Ajuste de línea base

Onda de ECG sobre línea base promediada

Monitoreo de electrodos

Alarma audible y visual de electrodo desconectado en la pantalla. Cada electrodo es monitoreado en forma individual

Copia

En el modo automático de 12 derivaciones, después del registro de ECG, se pueden imprimir varias copias.

Testeo

Chequeo automático al encender el equipo

Fuente de alimentación

Rango

95 - 240 V (0,2 - 0,6 A)

Frecuencia

49 - 65 Hz

Tipo de batería

NiCad, 18 V, 1,3 Ah

Tiempo de carga

4h

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 89

Fig. 2.65. Electrocardiógrafo General Electric, modelo MAC 1200.

En la Fig. 2.66 se pueden apreciar dos modelos de electrocardiógrafos analógicos de inscripción directa. Si bien las tecnologías actuales los han reemplazado, aún muchos de ellos funcionan actualmente. Las limitaciones del ECG en reposo, para la detección de ciertas cardiopatías o su diferenciación, han requerido métodos alternativos. Uno de ellos es la ergometría, que consiste en un electrocardiograma de esfuerzo. En ella se observa y registra el ECG mientras el paciente camina sobre una cinta móvil o pedalea en una bicicleta.

90 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos

Fig. 2.66.a. Electrocardiógrafo Fukuda, modelo FJC 7110.

Fig. 2.66.b. Electrocardiógrafo Mecamed, modelo D-151-A.

Capítulo 1 - Fundamentos de la Electromedicina - 91

Simulador de Señales de ECG Los simuladores de señales de ECG se utilizan para verificar el correcto funcionamiento de los electrocardiógrafos. Los simuladores se conectan en lugar del paciente y generan un conjunto se señales de ECG cuyos parámetros son conocidos. De esta forma, se puede controlar que los valores indicados por el electrocardiógrafo coincidan con los configurados en el simulador. Un modelo de simulador de señales de ECG es el Metron, modelo PS-410 de Fluke Biomedical, mostrado en la Fig. 2.67. Este dispositivo permite: Simular 12 derivaciones de ECG. Variar la frecuencia cardíaca. Seleccionar 35 tipos de arritmias diferentes. Generar variaciones de la señal en el segmento ST. Provocar alteraciones en las señales como las producidas por movimientos del paciente. Simular espigas de marcapasos.

Fig. 2.67. Simulador de señales de ECG y arritmias Metron, modelo PS-410.

92 – Electromedicina - Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos