Electromagnetismo en la Medicina

Electromagnetismo en la Medicina Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile Objetivos: Comprender como se desplazan c

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Electromagnetismo en la Medicina Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile Objetivos: Comprender como se desplazan cargas en nuestro cuerpo y como estas son empleados en la operación del cuerpo.

1 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Descarga eléctrica

Electrodinámica

2 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Cargas y su comportamiento

Las cargas son discretas, múltiplos de la carga elemental e = 1.6 x 10-19 C (Coulomb) la carga de un electrón 3 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Carga y fuerza de Coulomb

Carga

[C: Coulomb]

Carga de test

Charles Coulomb Fuerza [N] Carga [C: Coulomb] Carga de test [C:Coulomb] Distancia Carga – Carga test [m] Constante de campo = 8.85x10-12 C2/Nm2 Numero dieléctrico (en caso de que el medio se polarice) Campo Eléctrico [N/C=V/m (V: Volt)] www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

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Representación de líneas de campo

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Ley de Gauss

Carl Friedrich Gauss

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Potencial de una Carga

Carga

[C: Coulomb]

Potencial [V: Volt (V=Nm/C energía por carga)] Carga [C: Coulomb] Carga de test [C:Coulomb] Distancia Carga – Carga test [m] Constante de campo = 8.85x10-12 C2/Nm2 Numero dieléctrico (en caso de que el medio se polarice) 7 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Dipolo eléctrico Momento dipolar

Potencial [V: Volt] Momento dipolar [Cm] Carga [C: Coulomb] Distancia a un punto en que se mide el campo [m] Angulo en que se mide el campo [radianes o grados] Constante de campo = 8.85x10-12 C2/Nm2 Numero dieléctrico (en caso de que el medio se polarice) 8 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Ley de Ohm

Georg Simon Ohm Potencial [V: Volt] Resistencia [Ω: Ohm] Corriente [A: Amperes = C/s] En el caso del cuerpo humano las principales corrientes no se deben a electrones, si no a los iones Na+, K+, Ca2+ y Cl− 9 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Calculo de la Resistencia

Resistencia [Ω: Ohm] Densidad de resistencia [Ωm] Sección [m2] Largo [m] Resistencia por largo [Ω/m] Conductividad [S: Siemens = 1/Ω] 10 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Densidad de resistencia Tejido

Densidad Resistencia [Ωm]

Sangre

1.6

Plasma

0.7

Músculos corazón - ‖ fibra

2.5

Músculos corazón - ┴ fibra

5.6

Músculos esqueletos - ‖ fibra

1.25 - 3.45

Músculos esqueletos - ┴ fibra

6.75 - 18.0

Pulmones – aspirando

17

Pulmones - expirando

8

Grasa

25

Hueso

177

Hígado

7

Cerebro – masa gris

2.8

Cerebro – masa blanca

6.8

Piel - mojada

10+5

Piel - seca

10+7 11

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Conductividad en sistemas biológicos

Numero de moles de los iones i Conductividad molar de iones i

Ion

Λ [1/Ω mM]

Con. Sangre [mM]

Con. Citoplasma [mM]

40

100

H+

34.9

OH−

19.8

Na+

5.0

145

12

Cl−

7.6

115

4

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Voltaje entre dos superficies cargadas

Potencial [V: Volt] Cargas en cada superficie [C: Coulomb] Capacidad [F: Farad] Numero dieléctrico del medio entre las placas Constante de campo = 8.85x10-12 C2/Nm2 Área de las placas [m2] Distancia de las placas [m] 13 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Voltaje entre dos superficies cargadas Dieléctrico

Causa a nivel atómico

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Permeabilidad de las membranas celulares

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Movimientos de cargas en un campo eléctrico Campo Eléctrico +

+

o o

+ -

o

+

-

+

+

o -

+

+

+

o -

o -

-

o

+ + +

-

- -

o o

16

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Descarga eléctrica

Neuronas

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Neuronas Neuronas -Motoras -Transmisor de Señales -Re transmisoras Velocidad de la señal 60 m/s

Sinapsis

Dendritas

Núcleo

Cuerpo de la célula

Señal de otra neurona

Axón

Terminación nerviosas

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Polarización de membranas celulares Interior del axón Na+ (15 mM/L) K+ (150 mM/L) Cl- (9 mM/L)

Otros- (156 mM/L) V = - 70 mV Neutral

Membrana -

Despolarización: - 60 mV -> señal +30 mV Hiperpolarización: - 80 mV

+ + + + + + + + + + + + + +

Exterior del axón Na+ (145 mM/L) K+ (5 mM/L) Cl- (125 mM/L) Otros+ (5 mM/L) Otros- (30 mM/L) V = 0 mV Neutral

Otros: otros iones y proteínas cargadas mM/L: mili moles por litro 19

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Movimientos de cargas en un campo eléctrico Campo Eléctrico Na+

(15 mM/L)

+

o

+

K+ (150 mM/L)

-

o

-

+ +

V = - 70 mV +

+

Otros+ (5 mM/L) (Bloqueados)

+

o

o

Otros- (30 mM/L)

-

o -

V = 0 mV Neutral

-

o

+ +

K+ (5 mM/L) (Campo Eléctrico)

-

Cl- (125 mM/L)

-

+

Otros- (156 mM/L)

Na+ (145 mM/L) (Bomba de Iones)

+

-

Cl- (9 mM/L)

Neutral

+

o -

- -

o o

20

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Axón - Resistencia

Resistencia del núcleo por largo

Resistencia de la membrana por largo

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Conducción

Na+

Flujo de (bomba de iones - despolarización) Flujo de K+ (campo eléctrico - re polarización)

++++++++++++++++++++++++++ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−++++++++++++++++++++++ ++++−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

++++−−−−++++++++++++++++++ −−−−++++−−−−−−−−−−−−−−−−−− +30mV -70mV ++++++++−−−−++++++++++++++ −−−−−−−−++++−−−−−−−−−−−−−−

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Axón - Capacidad

dm = 6x10-9 m ρm = 107 Ωm rn = 5x10-6 m ρn = 0.5 Ωm

ε=7

Capacidad de la membrana

2πrn C c= = ε ε0 = 3.24x10-7 F/m dm L Cargas por longitud (q = Q/L) para crear el Voltaje de – 70 mV y luego 30 mV q-70mV = cV = -2.27x10-8 C/m

q+30mV = cV = +9.73x10-9 C/m 23

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Axón - Capacidad

Cargas en el anillo interior de la membrana qs-70mV = -7.23x10-4 C/m2

qs+30mV = +3.10x10-4 C/m2

ns = qs/e ns-70mV = 4.52x10-15 1/m2

ns+30mV = +1.94x10-15 1/m2

ns = 6.45x10-15 1/m2 = 6453 1/µm2 En el interior se encuentran por los 15mM/L: 15 mM/L = 15 6.02x10-23 10-3 /10-3 m3 = 9.04x10+24 1/m3 = 9.04x10+6 1/ µm3 0.071 % de los iones atraviesan la pared!!! 24 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-07-Electromagnetismo-Version-04.09

Descarga eléctrica

Sensores

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Sensores (audio, óptico, gusto, olor)

Stereocillium Microvilli

Kinocillium Cuerpo basal Algunos canales abiertos

Placa cuticular

Núcleo Todos los canales abiertos (despolarización)

Terminaciones nerviosas (Aferente)

Terminaciones nerviosas (Eferente)

Todos los canales cerrados (hiperpolarización) 26

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Descarga eléctrica

Corazon

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Descarga eléctrica Fibras de Purkinje

Voltaje (mV)

Contracción atrial

Nodo Nodo Sinoatrial Sino atrial

Contracción Ventricular Tiempo (s) Nodo Atrio ventricular

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Descarga eléctrica

VF

VL

C





VF

VL

B

VF

D

VL



VL

E

VF

VL



A

VF

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Descarga eléctrica

Sena de problemas : R ampliado

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Descarga eléctrica No hay relación entre P y QRS – falta de conducción entre nodos – bombeo ineficiente

Sin P, irregular QRS – irregular contracción atrial - fibrilización

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Descarga eléctrica

Descarga Eléctrica

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Descarga eléctrica

Corrientes sobre 10 mA: -Perdida de control sobre músculos (no puede soltar objeto) -Perdida de control de músculos de respiración y control de circulación -100mA a 4A fibrilación ventricular Barrera 10+6 Ohm piel seca, 1000 Ohm piel mojada Resistencia interna baja 400-600 Ohm pie-cabeza 220 V -> con 500 Ohm = 440mA – 4 veces lo necesario para fibrilizar

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Contacto Dr. Willy H. Gerber [email protected] Instituto de Fisica Universidad Austral de Chile Campus Isla Teja Casilla 567, Valdivia, Chile

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