Bioelectromagnetismo

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INTRODUCCIÓN

El bioelectromagnetismo es la disciplina que estudia los fenómenos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos que aparecen en los tejidos biológicos. Estos fenómenos incluyen las fuentes (comportamiento de tejidos excitables), los potenciales y corrientes eléctricas en las regiones conductoras, la respuesta de células excitables a estímulos eléctricos y magnéticos y las propiedades intrínsecas tanto eléctricas como magnéticas de un tejido. Física Médica Física Biofísica Ingeniería Bio-Ingeniería La importancia de esta disciplina se debe a que los fenómenos bioeléctricos de la membrana celular son funciones vitales para los organismos vivos. De hecho se puede decir que la propia vida empieza con un cambio en el potencial de la membrana. El interés del bioelectromagnetismo se debe a que al contrario de todas las otras variables biológicas, los fenómenos bioeléctricos y biomagnéticos se pueden detectar en tiempo real con métodos no invasivos, ya que la información se puede obtener a través y alrededor del conductor volúmico que constituye el cuerpo humano. El origen de estos fenómenos se puede investigar combinando las modernas teorías de fuentes y conductores con técnicas numéricas de cálculo. Fig. 1. Las distintas ciencias que actualmente se consideran relacionadas con el bioelectromagnetismo. siempre que hay campos bioeléctricos también hay campos biomagnéticos y viceversa. Del mismo modo, debido al principio de reciprocidad se puede considerar que la distribución de energía por estímulos eléctricos, la detección de distribución de señales bioeléctricas y las medidas de impedancia eléctrica son equivalentes. El enfoque anatómico ha surgido de las aplicaciones clínicas del bioelectromagnetismo y según el tejido al que se aplique se consideran tres grandes áreas: el bioelectromagnetismo neurofisiológico, cardiológico y de otros órganos o tejidos. El espectacular desarrollo de las telecomunicaciones, especialmente en el rango de las radiofrecuencias (RF), ha dado lugar a una creciente preocupación sobre los posibles efectos biológicos de los campos electromagnéticos. La necesidad de conocer los mecanismos de interacción de los campos de RF con los sistemas biológicos ha hecho que en la mayoría de los países el bioelectromagnetismo constituya actualmente una de las líneas de investigación preferente. Es muy frecuente identificar el bioelectromagnetismo con la electrónica médica. Sin embargo, son conceptos distintos ya que el primero se refiere a los fenómenos bioeléctromagnéticos, su medida y la metodología para la estimulación, mientras que la electrónica médica se refiere a los dispositivos que se utilizan para alcanzar los objetivos del primero. El bioelectromagnetismo es una disciplina evidentemente multidisciplinar, implicando entre otras ciencias a la biofísica, la bioingeniería, la biotecnología, la electrónica médica, la física médica y la ingeniería biomédica. Es quizás por este motivo que el bioelectromagnetismo se ha venido estudiando desde dos puntos de vista distintos: el físico y el anatómico. El primer enfoque considera que las ecuaciones de Maxwell y el principio de reciprocidad son sus dos pilares básicos. Las ecuaciones de Maxwell reflejan la conexión electromagnética, es decir siempre que hay campos bioeléctricos también hay campos biomagnéticos y viceversa. Del mismo modo, debido al principio de reciprocidad se puede considerar que la distribución de energía por estímulos eléctricos, la detección de distribución de señales bioeléctricas y las medidas de impedancia eléctrica son equivalentes. El enfoque anatómico ha surgido de las aplicaciones clínicas del bioelectromagnetismo y según el tejido al que se aplique se consideran tres grandes áreas: el bioelectromagnetismo neurofisiológico, cardiológico y de otros órganos o tejidos. El espectacular desarrollo de las telecomunicaciones, especialmente en el rango de las radiofrecuencias (RF), ha dado lugar a una creciente preocupación sobre los posibles efectos biológicos de los campos electromagnéticos. La necesidad de conocer los mecanismos de interacción de los campos de RF con los sistemas biológicos ha hecho que en la mayoría de los países el bioelectromagnetismo constituya  actualmente una de las líneas de investigación preferente. Aunque el bioelectromagnetismo es ahora un término familiar, no es una disciplina nueva tal y como nos enseña su desarrollo histórico que presentamos a continuación.

1. DESARROLLO DEL BIOELECTROMAGNETISMO

Aunque el primer documento escrito sobre fenómenos bioeléctricos es un jeroglífico egipcio de fecha 4000 B.C, hasta el año 46 AD no hay ninguna evidencia sobre la aplicación médica de la electricidad. En el jeroglífico se describe al bagre como un pez que “liberaba las capturas”. Esto se debía a que cuando este pez era atrapado en las redes, generaba descargas eléctricas de 450 V, lo que obligaba al atemorizado pescador a liberar todo el pescado. En el año 46 A.D, Scribonius Largus recomendó el empleo del pez torpedo para curar los dolores de cabeza y la gota [1] y hasta el siglo XVII este pez eléctrico fue el único medio de producir electricidad para experimentos electroterapéuticos. A mediados del siglo XVII, se consideraba que la contracción de un músculo era debida a que “espíritus animales” fluían desde el nervio hasta el músculo. En 1664, Jan Swammerdam realizó una serie de experimentos para estudiar los cambios de volumen que se producían en el músculo durante su contracción. La estimulación se realizaba tirando del nervio con un hilo de plata que entraba en contacto con un anillo de cobre. Según los principios de la electroquímica, los dos metales distintos inmersos en el electrolito proporcionado por el tejido dan lugar a una fuerza electromotriz y a una corriente eléctrica asociada. Esta corriente fluye por los hilos y el tejido y estimula el nervio. Este, una vez activado, inicia su propio flujo de corrientes, ahora son de origen biológico y distinto de las corrientes estimuladoras. La región activa de excitación se propaga desde el nervio al músculo y es la causa inmediata de la contracción muscular. Se considera que este fue el primer experimento bien documentado sobre de estimulación nerviosa por una fem generada por una unión bimetálica [2]. En 1672 Otto von Guericke (1602-1686) construyó la primera máquina eléctrica lo que propició la aplicación sistemática de equipos eléctricos para aplicaciones terapéuticas a partir del año 1745 con el invento de la botella de Leyden por el alemán Ewald Georg von Kleist (1700- 1748). Esto constituyó un paso fundamental para la aplicación de corrientes eléctricas como estímulos. En la estimulación electromagnética se pueden distinguir cuatro periodos históricos diferentes asociados a 1) la electricidad estática (Benjamín Franklin 1706-1790), 2) a la corriente contínua (Luigi Galvani 1737-1798), 3) a las bobinas de inducción (Michael Faraday 1791-1867) y 4) a las corrientes de radiofrecuencia (Jacques Arsene d’Arsonval 1851-1940). Los experimentos de Benjamín Franklin en 1747 con la botella de Leyden dieron lugar a los conceptos de electricidad positiva y negativa y ese mismo año Jean Jallabert (1712-1768) aplicó una descarga eléctrica a un paciente que tenía una mano paralizada. El tratamiento, que duró tres meses, tuvo éxito y este experimento que está bien documentado representa el comienzo de la estimulación terapéutica de músculos mediante electricidad. Los experimentos más famosos en estimulación neuromuscular los realizó Luigi Galvani en el periodo 1781- 1791. Galvani observó las contracciones del nervio femoral de una rana cuando se le aplicaba la chispa de descarga de una máquina eléctrica. Los trabajos los repitió utilizando la electricidad atmosférica y un arco bimetálico de cobre y zinc, observando de nuevo las contracciones del músculo. Sus investigaciones se citan como los estudios clásicos para demostrar la existencia de la bioelectricidad [3] aunque como se ha mencionado anteriormente Jan Swammerdam ya había realizado experimentos similares en 1664. Sin embargo, es bien conocido que Galvani no entendió el mecanismo de estimulación con el arco bimetálico. Su explicación para este fenómeno era que el arco descargaba la “electricidad animal” que existía en el cuerpo. Cu Zn Fig. 2. Experimento de estimulación de Luigi Galvani. La actividad electroquímica de dos metales distintos (zinc y cobre) formando un arco bimetálico en contacto con el electrolito del tejido producía una corriente electrica de estimulación que originaba la contracción muscular. Alessandro Volta (1745-1827) continuó los experimentos sobre la estimulación galvánica, proporcionando una mejor explicación sobre el mecanismo por el cual se producía electricidad a partir de dos metales distintos y un electrolito. Sus trabajos dieron lugar en el año 1800 al descubrimiento de la pila voltaica, una batería que podía proporcionar corriente eléctrica continua. En 1872, Thomas Green utilizando una batería constituida por 200 celdas capaces de generar hasta 300 V. desarrolló el proceso de resucitación cardiorrespiratoria, al aplicar este voltaje entre el cuello y las costillas inferiores del lado izquierdo de un paciente que había sido anestesiado con cloroformo. Green aplicó este método con éxito a siete pacientes sin pulso que sufrieron paradas respiratorias repentinas [4]. Aunque todas las invenciones y experimentos que se han mencionado anteriormente contribuyeron a afianzar la electro medicina, su verdadero comienzo lo constituye la invención de las bobinas de inducción por Michael Faraday en 1831, dando lugar a la denominada estimulación de Faraday. Los primeros que aplicaron la bobina de inducción para aplicaciones médicas fueron Emil Heinrich du BoisReymond (1818-1896) y Robert Bartholow en 1846 y en 1874 respectivamente [5]. El Dr. Bartholow estimuló la corteza cerebral con corrientes de Faraday y observó que daban lugar a movimientos de las extremidades del lado contrario y también al giro de la cabeza hacia ese mismo lado [6]. A finales de los años 1800, d’Arsonval calentó tejidos humanos in vivo aplicando corrientes de alta frecuencia con electrodos o con grandes bobinas. Sus experimentos significaron el comienzo de la diatermia. d’Arsonval observaba un parpadeo cuando colocaba la cabeza de un individuo dentro de un campo magnético intenso variable con el tiempo. Este campo estaba generado por una gran bobina por la que circulaban 32 A con una frecuencia de 42 Hz. La causa de este parpadeo era el efecto estimulante del campo magnético en la retina, que se sabe es muy sensible a él. Este fue el primer experimento sobre estimulación magnética del sistema nervioso. Posteriormente, en 1985 se realizó la primera estimulación magnética transcraneal [7]. La aplicación de la electromedicina a la cardiología se inicia en 1871 cuando Frank Steiner publica el primer informe sobre el control del ritmo cardiaco de un perro anestesiado con una sobredosis de cloroformo. Aunque en 1882, Hugo Wilheim vo Ziemssen [8] utilizó esta técnica en una persona humana, no será hasta 1932 cuando Salisbury Hyman [9] la aplica clínicamente al ritmo atrial. A pesar de estos primeros intentos, la era moderna del control del ritmo cardiaco empieza en 1952, cuando Paul Maurice Zoll [10] realizó un control cardiaco durante 20 minutos. La invención del transistor por Bardeen y Brattain en 1948 hizo posible el primer implante de un marcapasos, uno de los hitos fundamentales en la historia del bioelectromagnetismo. Esto tuvo lugar en 1958 en el Instituto Karolinska de Suecia, donde el doctor Ake Senning implantó el marcapasos desarrollado por el ingeniero Rune Elmqvist.

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