Caso Ingeniería Biomédica.
Introducción
En
la actualidad sin un circuito eléctrico en buen funcionamiento, no seria posible
tener electricidad y realizar diversas actividades dependientes de esa forma de
energía, ya que estos son la base para la transmisión, distribución y
utilización de la electricidad en la cotidianidad. Ellos permiten que la
circulación de corriente eléctrica sea controlada, posibilitando el
funcionamiento de lámparas, electrodomésticos, dispositivos electrónicos,
sistemas de comunicación, equipos médicos, entre otros. Por ende, la comprensión
de como esos circuitos operan es fundamental para cualquier profesional o
entusiasta del sector.
Figura N°1 Anotaciones en pizarrón de circuitos eléctricos.
Meléndez (2025) (Generada con
CANVA IA)
Los
circuitos eléctricos no son más que el camino cerrado que permite la circulación
de corriente eléctrica y está compuesto por elementos activos (fuentes de
energía, otros) y pasivos (resistores, bobinas, condensadores) y los elementos
conectores como el conductor.
Para
poder resolver, analizar y diseñar circuitos eléctricos los circuitos
eléctricos. Las leyes y los diferentes teoremas permiten simplificar circuitos
complejos en circuitos equivalentes más simples. Facilitando mucho el análisis
de circuitos.
· Permiten predecir cómo responderá un circuito a
diversas condiciones, como cambios de voltaje o corriente.
· Gracias a los teoremas y leyes se pueden optimizar los
sistemas eléctricos, por ejemplo, minimizando el consumo de energía o
maximizando la eficiencia.
· Son un elemento fundamental de la educación para
diversas ingenierías y se utilizan en la investigación científica.
Cada
una de las disciplinas requiere el uso de modelos matemáticos y principios
eléctricos para optimizar proceso especifico que desea mejorar, así como el
rendimiento de dispositivos o garantizar el correcto funcionamiento de sistemas
interconectados. En esta entrada, se explorará cómo los teoremas y leyes
eléctricas pueden ser aplicadas en distintas ramas de la ingeniería, con
ejemplos específicos en cada campo.
Para
el caso específico de la ingeniería Biomédica las aplicaciones de conocimientos
eléctricos son importantes a la hora de desarrollar, reparar, mantener los dispositivos
que sean de utilidad para los diagnósticos médicos, como: sistemas de imagen, toma
de valores, técnicas de tratamiento u otros. Ya que esta disciplina combina los
conocimientos de diversas ingenierías con la biología y la medicina, lo que permite
innovar en el campo de la salud. Tal como se puede ver a continuación en un
estudio del comportamiento eléctrico del cuerpo humano.
Aplicación de los circuitos eléctricos.
Biomédica
Todas
las actividades físicas conscientes e inconscientes son controladas por el sistema
nervioso, él está formado por billones de células nerviosas teniendo como
principal de ellas la neurona, que captan la información próxima del interior y
el exterior del cuerpo humano.
Las
células nerviosas juntamente con las musculares, tienen dos propiedades
fisiológicas características que son la excitabilidad y la conductibilidad, o
sea, la capacidad de reaccionar a un estímulo dado y transmitir ese estímulo en
forma de impulsos electroquímicos a lo largo de sus membranas. Las membranas de las células nerviosas
sostienen propiedades eléctricas que son dadas a través del acuerdo molecular
de sus componentes. Esas propiedades establecen la secuencia de las alteraciones
de voltaje producidas por el flujo de corriente a través de las membranas y sensibilizan
la capacidad de células, eléctricamente excitables, en la conducción de las informaciones.
Por este hecho, la membrana de las neuronas es capaz de ser comparada a un
circuito eléctrico que cubre varias unidades repetidas [1].
Figura N°2 Toma de señales del cuerpo humano
Prácticamente
toda la actividad fisiológica del cuerpo humano necesita ser ejecutada por
informaciones (orden y comandos) que son transmitidas por las neuronas. Esto genera
una enorme complexidad resultante de la interacción de billones de neuronas actuando
de modo no-linear, utilizando un proceso altamente elaborado llamado de sinapsis,
que son intercambios de elementos químicos entre las neuronas. Tal complejidad
se mantiene prácticamente inalterada cuando se estudia una neurona aislada, entonces
existen millares de canales en la membrana neuronal, llamadas canales iónicos,
por donde viajan los iones ejecutando leyes no-lineares, inviabilizando un
simple análisis.
Ante
estos motivos, se torna un trabajo arduo concebir modelos matemáticos
significativamente satisfactorios cuando se refiere a la actividad eléctrica de
todo el sistema nervioso o de apenas una única neurona. A pesar de, la idealización y el perfeccionamiento
de los modelos matemáticos, inicialmente simplificados, se torna de fundamental
importancia y necesidad, con respecto a la comprensión de los principales
mecanismos de generación y transmisión de señales eléctricas y sus
implicaciones fisiológicas [2].
El
modelo desarrollado por Hodkin-Huxley básicamente establece que el flujo de
corriente total a través de la membrana es el resultado de las contribuciones
individuales de tres diferentes corrientes iónicas:
·
Corriente de potasio.
·
Corriente de sodio
·
Corriente iónica de filtración.
Que
es dada por el flujo de otros iones como los iones cloruro y bicarbonato. Esa corriente
de membrana depende de la capacitancia de la membrana plasmática y de la resistencia
de los canales iónicos. Un circuito básico para la membrana puede ser visto en
la siguiente figura.
Figura N°3 Modelo eléctrico de la membrana neuronal.
[3]Ese
circuito es apropiado para sistemas simples de membrana como el del axón
gigante del calamar u otras membranas axónicas, donde apenas uno o dos canales iónicos
de voltaje dependientes son vistos. En
el modelo tiene un capacitor C, para representar la capacitancia de la
membrana, una conductancia de sodio gNa, conductancia de potasio gK, y una conductancia
de filtración gCl. El potencial de membrana V es el potencial en el interior de
la célula menos el potencial del exterior de la célula, y puede existir una
corriente (Iext) inyectada en el interior de la célula por un electrodo
o próxima de otras partes de la célula. De acuerdo con las convenciones usuales,
las corrientes son positivas en el sentido externo. Esta investigación consultada se justifica
como necesaria, para la necesidad del desarrollo y aplicaciones de métodos que simulen
el comportamiento caótico en la neurona biológica, a través del modelo neuronal
de Hindmarsh e Rose [3].
A
partir de esto la aplicación de las investigaciones en la ingeniería biomédica,
como disciplina interdisciplinaria, combina los principios de la ingeniería y
la medicina para desarrollar tecnologías que mejoren el diagnóstico,
tratamiento y monitoreo de pacientes. Dentro de este campo, el estudio de
circuitos eléctricos juega un papel fundamental, especialmente en el diseño de
dispositivos médicos que trabajan con señales fisiológicas, como se pudo ver en
esa investigación.
En
este orden de ideas uno de los principales retos en la ingeniería biomédica es
la correcta adquisición y procesamiento de señales fisiológicas. Estas señales
suelen tener baja amplitud y alta sensibilidad al ruido, lo que exige circuitos
de acondicionamiento eficientes. Aquí es donde los teoremas circuitales ayudan
a optimizar el diseño de los circuitos.
Los teoremas
circuitales, como el de Thévenin, Norton y Superposición, permiten simplificar
y analizar redes eléctricas complejas, facilitando la optimización de sistemas
biomédicos. Estos teoremas son fundamentales en el diseño y funcionamiento de
dispositivos:
·
Monitores de electrocardiografía (ECG).
·
Sensores de presión arterial
·
Equipos de estimulación neuronal.
·
Desfibriladores.
·
Marcapasos.
·
Otros
Por
ejemplo, el teorema de Thévenin permite simplificar una red de sensores médicos
en una única fuente de voltaje equivalente con una impedancia en serie,
facilitando su análisis y conexión con otros dispositivos. Esto es
especialmente útil en circuitos que manejan biosensores, donde minimizar la
interferencia y la pérdida de señal es esencial.
A
medida que la tecnología médica avanza, la combinación de conocimientos en
circuitos eléctricos y biomedicina seguirá impulsando innovaciones en la
atención médica, ofreciendo soluciones más eficientes y seguras para el
monitoreo y diagnóstico de los pacientes. Pero la aplicación de los teoremas
circuitales no queda acá y como se puede indagar en próximas entradas con otras
carreras.
Por
último, si estas decido aprender en los conocimientos de tu carrera
profesional, es probable que los enlaces te ayuden con información sobre diversos
temas de la misma, consúltalos y sigue mi blog.
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REFERENCIAS
[1]
Butera, R, Rinzel J, Smith J.; Models of respiratory rhythm generation in the
pre-Botzinger Complex. I. Bursting Pacemaker Neurons. Journal of
Neurophysiology; v. 82, 1999.
[2]
Hodgkin, A. L., Huxley, A. F.; A quantitative description of membrane current
and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol. 1952
[3]
Hindmarsh, J. L., Rose, R. M.; A model of neuronal bursting using three coupled
first order differential equations. Proceedings of the Royal Society B, 1984.
[4]
Svoboda y Dorf, Introduction to Electric Circuits. United States of
America. 2014.
Paginas Consultadas:
