electromedicina e instrumentación biomédica unidad 11. fisiatría electrónica

Electromedicina e Instrumentación Biomédica

Unidad 11.

Fisiatría Electrónica

Contenidos y Objetivos

11.1 Conceptos básicos11.2 Empleo de ultrasonido11.3 Empleo del láser11.4 Equipos de intercambio: Diálisis11.5 Otros tipos de equipos para la terapia

Objetivos: Explicar las características de los equipos

empleados para terapia, así como sus aplicaciones.

Sonido• Movimiento oscilatorio, armónico ó no, que se propaga

por diferentes medios materiales y que se halla dentro de un rango de frecuencias que puede ser captado por el oído de los seres humanos: aproximadamente entre 20Hz y 22kHz.

• Estos límites de frecuencia sólo se basan en una propiedad del organismo humano.

• Las vibraciones de frecuencia mayor que las audibles por los seres humanos reciben el nombre de Ultrasonidos.

Ondas de presión y de depresión en la propagación del sonido

• Las vibraciones del sonido en el aire son longitudinales: las partículas del medio material en que se propaga oscilan en la misma dirección del rayo.

• Esto da lugar alternativamente a zonas que tienden a acercarse entre si y otras en las que se alejan.

• En consecuencia, la presión aumenta y desciende de manera alternada, dando lugar a zonas de compresión y de descompresión.

• En un medio homogéneo infinito, estas zonas se propagan en forma de ondas esféricas concéntricas.

Ultrasonido en terapéutica• Se generan mediante un oscilador electrónico que

entrega su energía alterna a un material piezoeléctrico que, como se ha estudiado antes, se deforma al aplicarle una tensión y viceversa.

• Los materiales piezoeléctricos mas utilizados son:– Cuarzo (SiO2)– Cerámicas piezoeléctricas: cristales artificiales producidos en

base a óxidos metálicos– etc.

• La gama de frecuencias utilizadas en terapéutica llega hasta los 3 MHz.

• La potencia típica de los pulsos llega hasta 10 W / cm2.• La duración típica de los impulsos es de 1s y la tasa de

impulsos es de 500/s

Efectos biológicos y aplicaciones médicas del Ultrasonido

Se utilizan tanto para técnicas:

• diagnósticas: Ecografía, incluida la basada en el efecto Doppler;

• terapéuticas: la Diatermia y la Litotricia extracorpórea.

Intensidad del Sonido• Se determina mediante la energía por unidad de tiempo,

es decir, la Potencia P, que atraviesa la unidad de sección perpendicular S a la dirección de propagación:

I = P/S• También puede expresarse en función de la presión

máxima Pmax desarrollada en las zonas de compresión:

I = Pmax 2 / 2 D c donde D es la densidad del medio y c es la velocidad del sonido• En terapéutica se utilizan IA hasta de 5 W/cm2.• En diagnóstico hasta de 0,5 mW/cm2

Escalas acústicas y Decibeles• El sonido audible mas débil tiene una intensidad Imin de

10-16 W/cm2, mientras que un sonido de 10-4 W/cm2 puede llegar a producir una sensación dolorosa.

• Decibelio: Unidad para representar la intensidad relativa de un sonido:

IdB = 10 log10 (I / Imin)• La intensidad del sonido en una conversación ordinaria

es de alrededor de 60 dB, mientras que el sonido lindante con la sensación dolorosa tiene una intensidad de 120 dB.

• La intensidad acústica máxima en terapia corresponde a 160 dB.

• La intensidad acústica máxima en diagnóstico corresponde a 127 dB (referencia 10-16 W/cm2)

Análisis de Intensidad

Velocidad del US• La velocidad de una onda sónica depende de la

elasticidad y de las propiedades inerciales de la sustancia en la cual se transmite, y está dada por:

donde es la densidad y B es el módulo de elasticidad del fluido.

• Conociendo la velocidad puede determinarse la longitud de onda de la onda sonora en cada sustancia a través de la relación:

Velocidad del sonido en algunos tejidos

Impedancia acústica• La velocidad del sonido en un medio multiplicada por

la densidad de este medio proporciona una magnitud que constituye una importante propiedad de los medios transmisores de sonidos conocida como impedancia característica:

Z = • Las ondas se propagan con facilidad por medios con

elevada impedancia acústica característica como el acero.

• Los medios con baja impedancia, como el aire, reflejan las ondas con mayor acentuación que los de alta.

Impedancia acústica de algunos tejidos

Fenómenos de transmisión

1. Absorción de ondas sonoras

2. Reflexión y Refracción

3. Divergencia

4. Efecto térmico

Absorción de ondas sonoras• La Intensidad Acústica es degradada a medida que el

haz sonoro penetra el medio. • Parte de la energía perdida se transforma en calor.• Para una frecuencia de 1MHz, la mas utilizada en

terapéutica, la disminución del nivel de intensidad del sonido por cada cm. recorrido es:

– Piel y músculo: 1,2 dB/cm.

– Hueso: 15 dB/cm.

– Sangre: 0,17 dB/cm.

– Cerebro: 0,9 dB/cm.

– Líquido cefalorraquídeo: 0,01 dB/cm.

Reflexión y Refracción• Cuando una onda sonora plana incide

perpendicularmente sobre una interfase sufre una reflexión dada por:

donde Ir es la Intensidad reflejada, Ii es la intensidad incidente y Z la impedancia acústica característica de las sustancias A y B respectivamente.

Interfaz

• Por esta razón debe tenerse en cuenta que al aplicar el transductor de US, debe evitarse el aire mediante una sustancia que posea impedancia similar a la de los tejidos a estudiar.

• Por ejemplo: El agua posee una Z semejante a la de los tejidos blandos, por lo que en muchas ocasiones se aplica como interfaz.

Reflexión - Refracción• Suponiendo, con bastante

exactitud, que músculo y hueso se comportan como líquidos ideales, no viscosos, cuando la onda sonora incide oblicuamente en la interfaz músculo – hueso, parte de la onda es reflejada en un ángulo igual al de incidencia y parte es refractada, o sea transmitida.

Ángulo de incidencia crítico

• El ángulo de refracción se calcula según la ley de Snell.

• Cuando el haz incidente supera un cierto ángulo, es refractado, pero no transmitido al otro medio.

• El ángulo de incidencia crítico está dado por la fórmula:

Ángulo crítico

Índice de refracción 2 > 1

Divergencia• La superficie de la cara radiante

del transductor de US condiciona la divergencia que sufrirán las ondas sonoras a partir de la misma:

a) Diámetro de la cara radiante 10 ó mas veces la longitud de onda.

b) D menor de diez veces la longitud de onda.

c) Cara radiante menor que longitud de onda.

• En terapéutica se utilizan ondas de 1 MHz con transductores de 4 cm. de diámetro, lo que implica una relación D/ > 10:1, por lo que el haz será apenas divergente.

Fenómeno térmico• La absorción del US implica un aumento de energía

que se convierte, en su mayor parte, en calor.• El aumento de temperatura en una capa de espesor x

durante un segundo está dado por:

donde – Ix es la intensidad acústica a la profundidad x es la densidad del tejido en kg/m2.– C es el calor específico en W s/kg– dT es el aumento de la temperatura en grados C°

Aumento de temperatura

Valores típicos

• La expresión 2/C, para una frecuencia de 1 MHz toma los valores:– Hueso: 1,5 cm2 °C/W s– Piel y músculo: 0,073 cm2 °C/W s– Sangre: 0,0083 cm2 °C/W s– Cerebro: 0,054 cm2 °C/W s– Líquido cefalorraquídeo: 0.003 cm2 °C/W s

Ultrasonido en terapéutica: Efectos terapéuticos

• Efecto Térmico

• Efecto Mecánico

• Disminución del dolor

• Efectos químicos

Efecto Térmico• Se logra aumento de la circulación sanguínea, lo que

provoca aumento de aporte de sustancias nutritivas y mayor evacuación de los catabolitos con la consiguiente desinflamación.

(A) Perfiles de distribución de la energía en el eje transversal al sentido de emisión

(B) Lóbulos de radicación que parten de la zona principal

Efecto Mecánico• Debido a los movimientos oscilatorios de las partículas

que realizan compresiones y descompresiones alternas.• Provoca aumento de la permeabilidad de las membranas

celulares, liberación de adherencias fibróticas por separación de las fibras colágenas y reblandecimiento del cemento intracelular.

• Puede reducirse un queloide sin elevar la temperatura.• Los efectos dependen del coeficiente de absorción del

tejido, por lo que se manifiestan con mayor intensidad en los tejidos que en los líquidos orgánicos.

Otros efectos

• Disminución del dolor: No se conoce el modo de acción, pero se aprecia un neto efecto antiálgico por acción directa sobre las terminaciones dolorosa.

• Efectos químicos: En el tejido biológico sólo ocurren cambios adjudicables al efecto térmico.

Detalles prácticos• Generalmente se realiza a través de la piel, proyectando

el haz hacia la zona enferma.• Debe aplicarse una sustancia de interfase cuya Z sea

intermedia entre la cara emisora del transductor de US y la piel: vaselina, glicerina.

• Evitar hacer funcionar el emisor de US en el aire, puesto que se produce reflexión de casi toda la energía transmitida, lo cual puede dañar el equipo si ocurre coincidencia de fase del material piezoeléctrico con la onda reflejada.

• El equipo debe poseer dos modos de emisión: – uno continuo para obtener todas las propiedades del US; y – otro pulsátil para cuando no se desea el efecto térmico

Precauciones1. Excesivo aumento de la temperatura: Fenómeno

mas acentuado en las interfases.2. Excesivo efecto mecánico: Rompimiento

exagerado del cemento intracelular, hemorragias, tumefacción y dolor.

3. Cavitación hemorrágica: Fenómeno que aparece en los líquidos y tejidos biológicos cuando la IA supera un cierto valor. Se forman pequeñas cavidades en las que existe vacío, vapor a saturación ó los gases disueltos en la sustancia. Se necesita una presión acústica cercana a 1 atmósfera para producirla de manera visible en los tejidos humanos.

Características del equipo

Debe poseer:• Interruptor de energía de línea• Control continuo- pulsátil: los pulsos

pueden tener 50 ms de duración con intervalos no emisivos de 100 ms.

• Graduación precalibrada de la IA: 0,5 – 1 -1,5 – 2 – 2,5 – 3 – 3,5 W/cm2.

• Control de sintonía fina para mejorar la eficiencia del trasductor.

• Regulador ó elevador de la tensión de línea

• Chasis a tierra

Concepciones circuitales

Esquema en bloques de un equipo comercial.

Ejemplo de Generador de USBasado en un oscilador de autobloqueo disparado:

Circuito experimental

Litotricia

Esquema de las ondas de choque.

Consiste en producir ondas de choque ultrasónicas que rompen los cálculos renales.

Litotritor

Este equipo se utiliza para eliminar cálculos renales.

Litotricia Extracorpórea

Se utiliza un equipo de Rayos X en dos planos para asegurar la localización precisa del punto focal del rayo de US generado sobre el cálculo renal en el lugar apropiado para su choque.

El láser

• Efecto fotoeléctrico• Cuantificación de la energía del átomo• Tipos de láser• Mecanismo de funcionamiento• Comparaciones y propiedades ópticas• Transmisión de la luz de láser• Propiedades del láser en cirugía:

– Cirugía Láser – Láser en oftalmología

Naturaleza cuántica de las radiaciones electromagnéticas

• La teoría cuántica o de Planck postula que el elemento base de las radiaciones electromagnéticas son los cuantos o fotones.

• Al desplazarse en el espacio, los fotones poseen dos movimientos:– Uno que realiza con velocidad uniforme en el sentido del

desplazamiento y otro– Oscilatorio, transversal con respecto al primero

• El movimiento en el sentido del desplazamiento se produce en el vacío a 300000 Km. / s.

• La composición de ambos movimientos da el clásico movimiento ondulatorio.

Ecuación de Planck Ev = hf

ó

Ev = hc /

donde h es la Constante de Planck = 6,6 x 10-34 Joule s (6,62x10-27 ergios s)

• Intuitivamente aceptamos que mayor frecuencia implica mayor energía, así un fotón de luz roja tiene menor energía que uno de luz violeta.

Campos de la radiación luminosa

eléctricos

magnéticos

Interferencia• Estos fenómenos son el resultado de la naturaleza ondulatoria de

la luz.

• Cuando dos ondas se superponen, los vectores resultantes son la suma de los componentes.

I. Superposición de dos ondas monocromáticas a y b de igual frecuencia y amplitud.

II. Dos ondas de igual amplitud desfasadas un cuarto de longitud de onda.III. Dos ondas iguales desfasadas media longitud de onda.

Bandas de interferencia • Cuando llega un haz de luz a dos

ranuras A y B:– Los rayos 1 y 2 continúan en la

misma dirección y siguen estando en la misma fase.

– Los rayos 1’ y 2’ que forman un ángulo beta con la dirección primitiva se encuentran desfasados media onda.

– El rayo 1” se encuentra atrasado una longitud de onda completa respecto al rayo 2”, de modo que ambos se encuentran nuevamente en fase.

• Entonces:– 1 y 2 dan imagen luminosa, – 1’ y 2’ no dan imagen, – 1” y 2” vuelven a dar imagen.

• Las bandas luminosas y oscuras obtenidas se llaman bandas de interferencia.

Luz Reciben el nombre de luz las radiaciones

electromagnéticas detectadas por el ojo humano, con longitudes de onda comprendidas entre 400 y 780 nanómetros

Luz Monocromática y Luz Blanca• Luz monocromática: Está integrada por ondas de

una única longitud.• Luz blanca: Está integrada por ondas de todas las

longitudes del espectro visible.

Descomposición espectral de la luz blanca

Luz polarizada• La luz común está formada por ondas que se

propagan en diferentes planos que pasan por la recta de propagación del rayo.

• Se llama luz polarizada aquella cuyas ondas oscilan en un único plano ó sus paralelos.

luz común luz polarizada

Proceso de la luz polarizada• El proceso ocurre como si llegaran tarjetas en

diferentes planos a un peine que deja pasar sólo aquellos planos que están orientados en la misma dirección de sus dientes:

Representación vectorial• Desde el punto de vista vectorial, la luz polarizada puede

representarse por un vector E perpendicular a la dirección a del rayo:

• Esta representación significa en realidad que la onda determinada por el vector E se propaga oscilando en el plano a determinado por aquel.

Luz coherente • Existen medios que permiten obtener rayos de luz con

la misma frecuencia o muy cercana. • Esta luz posee alta coherencia de frecuencia. • Si además, oscilan en fase, es decir, en todo momento

pueden estar sus campos eléctrico y magnético modificándose de igual manera, se dice que tienen coherencia espacial.

• Láser: Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Mecanismo de la emisión del láser

• La figura muestra a la sustancia láser en reposo con mayoría de átomos en bajos niveles energéticos según la distribución normal de Maxwell – Boltzmann.

Mecanismo … (2)

• La radiación incidente con energía superior a un umbral excita los átomos a un alto nivel energético y un átomo cae espontáneamente al nivel inferior con emisión de radiación en cualquier dirección.

Mecanismo … (3)

• Como la radiación externa prosigue, los átomos desexcitados vuelven a excitarse mientras otros excitados caen.

Mecanismo … (4)

• El fenómeno láser se mantiene: Por el espejo semitransparente sale parte de la radiación a ser utilizada.

Laseres de estado sólido• Se utiliza una sustancia sólida transparente

como sostén de ciertos iones encargados de emitir radiaciones luminosas coherentes.

• Los mas utilizados actualmente son: – rubí rosa con Cr como ion activo; – vidrio de itrio-aluminio-granate (YAG) con

neodimio (Nd) como ion activo; y – vidrio sílico común con Nd, ierbio (Yb), holmio

(Ho), gadolinio (Gd) o lantano (La) como iones activos

Primer láser que funcionó, de rubí

Laseres de gasSe subdividen en tres clases:1. De átomos neutros como el He – Ne (Ne es

el elemento activo).2. De átomos ionizados, especialmente gases

nobles como argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y neón (Ne) con estos elementos como iones activos.

3. Moleculares: como el CO2 – N2 – He, siendo el CO2 la sustancia activa fundamental.

Esquema de un láser He - Ne

Láser iónico de Argón

Laseres de semiconductores

• Muchos diodos semiconductores a ciertas corrientes en su sentido normal de conducción emiten radiación coherente.

• El diodo utilizado con mayor frecuencia como láser es el de arseniuro de galio.

Laseres líquidos

• Su material activo es una tintura orgánica fluorescente en solución acuosa excitada mediante la luz de otro láser.

• Tiene la facultad de variar su frecuencia de emisión.

Aplicaciones• Básicamente para:

– Foto coagulación – Bisturí para cirugías

• Odontología: Tratamiento de caries y conductos, prevención, trabajos protésicos.

• Oftalmología: Microcirugía ocular, foto coagulación de la retina, etc.

• Fisioterapia: Se ha experimentado su aplicación externa a varias patologías. Se ha observado claro efecto antiartrítico y efecto analgésico.

Disposición de componentes de un láser de Argón

Diseñado específicamente para foto coagulación en Oftalmología. La potencia del haz es preseleccionada. Los períodos de irradiación son preseleccionados entre 20 ms y continuo.

Bisturí láserPuede ser de distancia focal fija ó variable.La densidad de potencia puede ajustarse modificando el diámetro del haz colimado.Permite disminuirla con fines de coagulación.Disminuyendo la sección puede alargarse la zona de enfoque.Para lograr la mayor densidad de potencia, o sea, un foco puntual, el haz colimado debe incidir en el centro de la lente convergente y poseer una sección pequeña.

Equipo láser de CO2

• Utilizado para cirugía en otorrinolaringología, microcirugía ginecológica y otras aplicaciones en las que la transmisión del haz se realiza por medio de lentes.

• La máxima potencia de emisión es 30 W.

Foto coagulador en Oftalmología

Marcha de los rayos en un foto coagulador láser que utiliza un biomicroscopio para lámpara de hendidura.

Bibliografía

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3. Webster, J.G. (Editor) “Medical Instrumentation: Application and Design”, 3rd Ed. Chap13, pp 577-622