ACTIVIDAD ELECTRICA DEL CORAZON

Silvia Ines Navarro de Juarez -Andrés Leucadio Olea -Gustavo Adolfo Juarez -María IsabelKorzeniewski -María Andrea Chaile.

Unidad ~ecutora: Facultad Ciencias Exactas y Naturales - Facultad de Tecnología y CienciasAplicadas - Universidad Nacional d{~Catamarca. E-mail: gjuarez@catam.unca.edu.ar

RESUMEN

En el presente trabajo se pretende estudiar,analizar) producir un material que si,va comosíntesis en un estudio Biofísico, contribuyendo adifundir conocimientos de la Actividad Eléctrica

del Corazón, teniendo presente que existen fenó-menos naturales que se encuentran presente en elCuerpo Humano y son fundamentados por laFísica; y que finalmente pueden ser verificados ysim.lllados experimentalmente, como por ej. unestímulo eléctrico mediante la carga y descargade Ullcondensador con el fenómeno implícito dealmacenamiento de energía eléctrica, asistidopor un osciloscopio.

Para su entendimiento es necesario la apli-cación de conceptos Físicos como son la existen-cia y acumulación de cargas eléctricas, la crea-

ción de potencial eléctrico, sus manifestaciones ysu medición, la modificación de ese potencialeléctrico producida por flujos iónicos a través dela membrana celular, la generación de los deno-minados potenciales de reposo y de acción, laparticularidad de los mismos en el tejidomarcapaso del corazón para producir potencia-les iteractivos que desencadenan su contracciónrítmica. Consecuentemente determinar los recur-

sos que la misma Física aporta para suplir esefenómenonaturalllamadomarcapaso, como es ladisponibilidad de energía eléctrica almacenadaen un condensador necesaria tanto en magnitud yen frecuencia mediante un circuito RC, conclu-

yendo en la concepción del conocido marcapasoartificial.

SUMMARY

The aim ofthis work is tostudy, analize andproduce material as a synthesis of a biophysicsstudy, so as to spread knowledges about theHeart ElectricalActivity, taking into account thatthere exist natural phenomena present in theHuman Body which are established by Physics.

These naturalphenomena can be experimentallyverified and simulated; e.g. an electricalstimulusthrough charge and discharge of a condenser withthe implicit phenomenon of electric storage, withthe help of an oscilloscope.

In orden to understand this, it is necessary

to apply the Physics concepts such as the existenceand accumulation of electric charges, the creationof electric potential, its manifestations and itsmeasurements, the modification of that electricpotential produced by ion flow through the celu-lar membrane, the generation of such calledresting and action potentials, their individualfeature in the bypass tissue of the heart to genera te

repetitive potentials that produce its rhytmicalcontraction. Consequently, to determine theresources that Physics contributes so as to makeup for that natural phenomenon called bypass, asit is the availability of electric energy stored in acondenser neccessary not only in magnitude butalso ill frequency through an RC circuit, endingup in the conception of the known artifitial bypass.

Revista de Ciencia y TécnicaVOL. VII . N° 10 . Año 7 -2001

ISSN N° 0328 -431X 101

INTRODUCCION

BREVEDESCRIPCION BIOLÓGICA

Elcorazónhumano es unórganomuscu-lar de cuatro cavidades (cuya forma y tamaiiosonparecidosalpuñocerradodeunhombre).Seencuentraen el mediastino (porción media deltorax), justamente por detrás del cuerpo delesternón, entre lospuntos de inserción de la 2daa 6tacostillas. El corazón tiene un saco que loenvuelve de manera no muy íntima, llamadoperical'dio, que lebrindan protección contra lafricción.

La pared cardíaca está constituida portres capas tisulares definidas, tanto en lasaurículas como en los ventrículos: a. La capaexterior o epicardio; b. La capa media gruesay contráctil o miocardio; c. La interior, llama-da endocardio.

El interior del corazón está dividido en

cuatro cavidades, dos superiores o aurículas ydos inferiores o ventrfculos. Los ventrículos

son bastante mayores y de pared más gruesaque las aurículas, porque la acción de bombeoque desempeñan es también mayor. La pareddel ventrículo izquierdo es más gruesa que ladel derecho, porque debe impulsar la sangrepor todos los vasos de la economía, encambio,el ventrículo derecho envía sangre sólo alcircuito menor o pulmonar.

Las válvulas cardíacas son aditamentos

mecánicos que permiten que fluya la sangreúnicamente en una dirección; hay cuatro con-juntos deválvulas importantes,dos de ellas, lasválvulas auriculoventriculares, están situa-das en el corazón y protegen losorificios de lasaurículas y los ventrículos (orificios auricu-loventriculares); Las otras dos, las válvulassemUunares, están dentro de la arteriapulmonar y de la aorta en el sitio donde seoriginan los ventrículos derecho e izquierdo,respectivamente.

Siskma de Conducción: El sistema de con-ducción del corazón, Fig. 1, está formado porcuatro estructuras de músculo cardíaco:

* Nodo sinoauricular: (de keith y Flack omarcapaso)es unamasa defibras modificadas,situada en la pared auricular derecha cerca dela desembocadura de la vena cava superior.* Nodo auriculoventricular: (de Tawara) esunapequeñamasa de tejido especial situada enla porción inferior del tabique interauricular.* Huz auriculoventricular y Fibras dePurkinje: el haz auriculoventricular (haz AVo haz de HIS) está constituido por fibrasespecializadas que se originan en el nodo AVY se extienden, en dos ramas, hacia amboslados del tabique interventricular. Desde aquíse llaman fibras de Purkinje que se extiendenhasta los músculos papilares y las paredeslaterales de los ventrículos.

Figura 1 : Sistema de conducción del corazón. El nodo sinoauricular en la pared de la aurícula derecha fija el ritmo delcorazón, por lo cual se I!arna "rnarcapaso». Ref. [4)

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FÍSICA DEL SISTEMA CARDIOV ASCU-LAR

El corazón como una bomba: El corazón deun humano actúa como una bomba hidráulicadecuatrocámarasy doblefunción;elventriculoizquierdo bombea sangre al cuerpo y el dere-cho a los pulmones.

El ciclo de bombeo se muestra por me-dio de la animación en computadora del flujosanguíneo realizado por el corazón.

Como un primer enfoque a partir de laFíska Báska, cadaventrículopuede asimilarseaunabomba depistón simple; el trabajo hecho

en cada contracción esta dado por W= p(S)~ vdonde 6 v es el volumen de sangre que entra ala arteria y PIS)es la presión sanguinea mediadurante el latido, la potencia de salida delventrículo izquierdo se calcula a partir de larelación p= W / ~t. El ventrículo derechoque envia sangre a los pulmones desarrollaapenas un sexto de la presión del ventrículoizquierdo, así su potencia de salida P es 0.17W. La potencia total, considerando amboslados del corazón es de 1.21 Wa una fn:cuen-

cia de 80 latidos por minuto durante el rc~poso.Durante un ejercicio físico, el ritmo car-

díaco se incrementa hasta aproximadamente160 latidos por minuto, los cambios de volu-men de los ventrículos se hacen mayores, asícomo la velocidad de la sangre. El modelo depistón simple para el trabajo realizado por elcorazón no es útil aquí porque la energíacinéticade lasangre ya no es despreciable. Por10 tanto, el trabajo realizado por el corazóndurante un ejercicio esta dado por:

W = Wbo b + Ec

( )= P ~ V + l/2m v%corazon m a sangre

donde v es la velocidad de la sangre, dividien-

do ambos miembros por ~ V, obtenemos eltrabajo por unidad de volúmen:

donde P es la presión media, d es la densidadde la sangre y v%es el promedio del cuadrado

de lavelocidad (en términos de la velocidad dela sangre en las salidas del corazón), ademásésta ecuación es idéntica a la Ecuación de

Bernouilli cuando no hay cambios en la ener-gía potencial (es decir h =O); en este caso, W vn:presenta el incremento de energía por unidadde volúmen de sangre cuando ésta pasa por elcorazón, que es necesaria para compensar lapérdida de energía en el sistema vascular delcuerpo. La potencia disponible del corazón esp= WvQ, donde Q es el gasto de la sangre,considerando los ventrículos derecho D e iz-

quierdo 1, la ecuación para la potencia será:

Las medidas demuestran que

p= 7/6 P1Q+ d v%Q

debido a que la sangre sale de los ventriculossolo durante un lapso del ciclo, es decir v%Ddistinto v\ y para los humanos se ha encontra-do que v2(=3.5 (V)2, la ecuación al final quedaentonces:

Puesto que los organismos superiorestienen miles de millones de células, es necesa-rio contar con un sistema de transporte alta-mente eficiente. Esta función esencial en los

mamíferos es cumplida por la sangre quejuntocon los vasos sanguíneos y el corazón consti-tuyen el sistema cardiovascular. La sangrefluye del corazón (ventriculo izquierdo) a to-dos los vasos sanguíneos y las partes del cuer-po, y vuelve al corazón (aurícula derecha), y aesto se llama circuito mayor o general.Obsérvese en laFig. 2, que la sangre venosa vade la aurícula derecha al ventrículo derecho, elcuál la impulsa a la arteria pulmonar, arteriolasy capilares de los pulmones; en este últimositio, ocurre recambio de gases entre la sangrey el aire, de manera que la sangre venosa seconvierte en arteria!. La sangre oxigenada

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cursa por las vénulas pulmonares a cuatrovenas pulmonares y vuelve a la' aurícula iz-

--

quierda; la c.ontracción auricular la lleva alventrículo izquierdo y así se completa el cir-cuito pulmonar o menor.

I--

e ~I---

Figura 2 : Diagrama del sistema circulatorio. Un doble circuito cerrado, alimentado por dos bombas (aurículay ventrículo derechos, circuito pulmonar; aurícula y ventrículo izquierdos, circuito sistemico). Ref [3].

En un instante dado, aproximadamenteel 20% de la sangre se halla en el tramopulmonar del circuito y el 80% restante en elsistémico. En cada contracción, cada uno de'los cuatro compartimientos del corazón bom-bea sucesivamente unos 80 mi de sangre, demodo que el tiempo necesario para que el totalde sangre haya recorrido un circuito completoy haya retornado al corazón es de aproximada-mente 1 minuto (70 latidos por minuto).

EL LATIDO CARDÍACO Y SU ORIG~EN- POTENCIALES DE MEMBRANA

Laactuacióndelcorazóncomo unabom-ba, lo es debido a la contracción del músculocardíaco en respuesta a una estimulación delmismo, porparte del denominadopotencial deacción, como consecuencia de las variacionesdeladiferenciadepotencial eléctricoexistenteentre la cara interna y externa de la membranacelular. Constituye lo que se conoce cornoL-ltido cardíaco.

El latido cardíaco se origina en el siste-ma cardíaco de conducción especializado yse propaga a través de este sistema a todas lasparte.s del miocardio. El nodo SA es elmarcapasocardíaco y su frecuencia de descar-

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ga determina la frecuencia a la que late elcorazón. Los impulsos cardíacos generados enelnodo SAinician lacontracción mecánica delcorazón, ypasan a través del músculo auricularal nodo AV; de este nodo al haz de His; y porel sistema de Purkinje, almúsculo ventricular.

En el estado de reposo de la membranacelular, que se tomará como referencia, éstaposet~un potencial de reposo producido porunexcesomínimo de ionespositivos enlapartede afuera y de iones negativos dentro de ella, acausa de la bomba de sodio-potasio.

Al aplicar un estímulo adecuado a lacélula, aumenta la permeabilidad de la mem-brana a losNa+enel sitioestimulado, cambian-

do el potencial, de modo que ese sitio deja deestar polarizado y se torna despolarizado, elpotencial de reposo se invierte y se convierteen potencial de acción; en consecuencia secrea una corriente eléctrica local con el puntoadyacente yactuando como nuevo estímulo, elfenómeno de despolarización se repite, emu-lando una onda de autopropagación de nega-tividad a lo largode lasuperficie de lamembra-na. Inmediatamenteacada proceso de despola-rización, ocurre la repolarización, resta-bleciendose el potencial de reposo de la mem-brana, debido a que al aumento de permeabili-

dada los NA+le sigue un aumento de per-meabilidada los K+,restableciéndose laactivi-dad de la bomba Na-K.

Cuando un estímulo actúa sobre una

célula, sólo si su potencial llega a un ciertonivel crítico, llamado umbralde estimulación,desencadenará la conducción del impulso, esdecir, se iniciará un potencial de acción.

Este estímulo se denomina estímulo um-

bral. Cualquier estímulo más débil que éste sellama estímulo subumbral, de modo que nodescncada la conducción del impulso.

El sistema de conducción está formadopor el denominado tejido marcapaso especia-lizado, que es el que normalmente inicia ypropaga los impulsospor todo el corazÓn. Secaracteriza por poseer un potencial demembrana inestable, cuyo valor disminuyecontinuamente despues de cada potencialde acción hasta que alcanza el valor dedescarga y se dispara otro potencial deacción. Esta despolarización lenta en~re lospotenciales de acción se llama pot,encialmarca paso o prepotencial, y se debe primor-dialmente a la disminución lenta de la per-meabilidad a los K +.

Losprepotencialessonnormalmentepro-minentes en los nodos SA y AV, pero existenmarcapasos latentes en otras porciones delsistema de conducción que pueden hacersecargo cuando estos nodos estan deprimidos ola conducción desde ellos está bloqueada.

A su vez, el músculo cardíaco posee unpotencial de membrana en reposo de aproxi-

1.11

o

madamente -90 mV (interior negativo respec-to al exterior) y su estimulación inicia unpotencial de acción propagado que da lugara la contracción.

La respuesta contráctil del músculo car-díaco comienza casi inmediatamente al inicio

deladespolarización,durantelarepolarización,el miocardio no puede ser excitado otra vez,pues se encuentra en el denominado períodorefractario absoluto. Por los tanto, no se

presentará tétanos (contracción continua) deltipo que se presenta enelmúsculo esquelético,lo que constituye una característica de seguri-dad. El período vulnerable se encuentra alfinal del potencial de acción, ya que unaestimulación en ese momento algunas vecesinicia una fibrilación ventricular (latído com-pletamente irregular y desorganizado).

ELECTROCARDIOGRAMA

Las fluctuaciones en el potencial, querepresentan la suma algebraica de los poten-ciales de acción de las fibras del miocardio,

pueden ser registradas extracelularmente. Eln~gistrode estas fluctuaciones de los potencia-les durante el ciclo cardíaco es el electrocar-

diograma (ECG). La mayoría de los electro-cardiógrafos registran estas fluctuaciones enuna tira de papel que se mueve a velocidadconstante. Los nombres de las diversas ondas

del ECO y su cronología en los seres humanosse muestran en la Fig.3.

0.4 0.$

Tiotmpo (weJ

Figura 3: Ondas del ECO. Ref. [6]

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La onda P es producida por la.despol~~rización auricular, el complejo QRS por ladespolarizaciónventricular, yelsegmento STy la onda T por la repolarización ventricular.Lasmanifestaciones de la repolarizaciónaUIi~cular normalmente no aparecen porque sonoscurecidas por el complejo QRS. La onda U,sería la despolarización lenta de los músculospapilares.

Para unECG serequiere,comomínimo,la utiJizaciónde las 3 electrodos o derivacio-

nes estándar, siendo común que para investi-gaciones y observaciones clínicas cuidadosasse utilicen 12derivaciones.

Las enfermedades que afectan el nodosinusal producen una intensa bradicardia quese acompaña de mareos y síncope (síndromedel seno enfermo). Cuando el padecimientoproduce síntomas graves, el tratamiento es laimplantación de un marcapaso artificial.

En ia tibrilación ventricular, las fibrasmusculares del ventrículo se contraen de UJ!la

manera completamenteirregulare ineficaz,nopueden bombear la sangre eficazmente y cesalacirculación desangre; sinose atiendeurgen~

temente, puede ser mortal en minutos, siendola causa más frecuente de muerte súbita.

A menudo se puede detener y regresar alrÜmo sinusal normal por medio de choqueseléctricos a propósito. A tal fin, losdestibriladores electrónicos se tienen ahora

no sólo en los hospitales sino en los vehículosde urgencias y se deben usar tan pronto comosea posible. Además, pueden implantarsequirúrgicamente en pacientes que tienen unalto riesgo de crisis de fibrilación ventricular.

Las arritmias cardíacas aquí comenta-das, son sólo algunas de las consecuencias delas variadas enfermedades del corazón, fun-damenta 1men te para el caso que nos ocupa, en

que las células del marcapaso natural nofuncionan en forma correcta y el corazÓnpierde supaso, ya seapor lafalta del estímuloo por falencias en el mismo.Y como posiblesolución se ha señalado el uso del marcapasoelectrÓnico o el desfibrilador electrónico,porque ambos constituyen unafuente genera-dora de impulsoseléctricos quesuplen lafalta

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o la falencia del marcapaso natural, restitu-yendo de ese modo la actividad regular delcorazón; ello es posible. con el uso de laenergítUll111Jlcenadaen u~ldensador..

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL SIMU-LACION DEL ESTIMULO CARDIACO

El circuito R-C (resistencia-condensa-dor) es un circuito eléctrico formadobasicamente por unafuente de alimentación decorriente contínua (batería) conuna diferenciade potencial E,una resistencia de carga R¡,unaresistencia de descarga Rzy un condensador ocapacitor C; los circuitos de carga y de descar-ga se abren o cierran a través de un interruptor.Al cerrarseelcircuito decarga, el condensadorva acumulando cargas eléctricas en sus placasyen consecuenciaaumentando la diferenciadepotencial entre ellas hasta que ésta se haceigual al de labatería y cesa el proceso de carga.De este modo el condensador ha recibido yalmacenado energía eléctrica, la que quedadisponible para efectuar un trabajo, o sea,suministrar energía eléctrica a algún circuitoeléctrico en elcual se efectúesu descarga. Estecircuito de descarga sería el que forman elcondensador y la resistencia de descarga Rzalcerrarse el interruptor de descarga; la diferen-cia d(~potencial del condensador produce unflujo de cargas eléctricas (corriente eléctrica)en este circuito cerrado de descarga, la que alpasar por la resistencia produce un trabajoeléctrico, cede energía eléctrica al circuito dedescarga.

El tiempo que tarda en cargarse el 63%o descargarse el63 % de su capacidad máximade carga estádado por ladenominada constan-te de tiempo r del circuito y que vale r =R.C;

o sea el producto de los valores del condensa-dor (en Faradio) y de las resistencias (en ohm)R¡ (en la carga) ó Rz(en la descarga), quedan~do r en seg. Variando los valores de C, R¡y Rzse pueden variar las constantes de tiempo decarga y de descarga del condensador y enconsecuencia frecuencias.

Las curvas y el básico de carga y dedescarga del condensadorse ilustranenlaFig.4

(O

I! . .,; t-'._ ---

".J..-r-k:i_~~,J }# )r

Figura 4 : Circuito eléctrico y curvas de carga y de descarga de un condensador. Ref [1]

Un empleo interesante de un circuito R-C es el marcapaso electrónico, que puedehacer que un corazón que se haya detenidocomience a funcionar de nuevo, o bien queretornesu ritmonatural, aplicandoun estímuloeléctrico a través de electrodos fijos al p(~chooalcorazón, quese puede repetir, a la frecuencianormal de los latidos.

Producen un pulso regular de voltaje enla resistencia de descarga Rz' (Fig. 4) que haceque un circuito activador A envíe un pulso alcorazón, que inicia y/o controla la frecuenciadel latido (emulando alpotencial de acción deltejido marcapaso). El tipo de «tasa fUa» pro-duce señales en forma contínua. El tipo «dedemanda» sólo trabaja cuando falla elmarcapasos natural.

No existe un sistema ideal para todoslos casos, sino que cada uno de ellos. tieneventajas y desventajas; La particularidad decada uno de ellos está dada por la oportunidaden queproducen la estimulación, esto es: inde-pendiente o no de la actividad cardíaca, con osin sensores inhibidores de disparo, con o sinsensores de disparo, o que dependen de lademanda o necesidades del paciente, o del

lugar en que sea necesaria la estimulación.Enlaactualidadsedisponedevariosmode-

los de MARCAPASOS PROGRAMABLES,

en los que se pueden modificar las variablesdefuncionamientomedianteelusodeunprograma-dor externo y en un todo de acuerdo con lasnecesidadesdel paciente.Esto significa que sepuede confeccionar un marcapaso adecua-do para cada paciente en particular, lo cuálimplica la responsabilidad de efectuar unanálisis profundo de la indicación de laestimulación eléctrica.

CONCLUSIÓN

La propuesta plantea el aprendizaje como re-sultado de una investigación orientada por unproblema con una fuerte componente de acti-vidad experimental, de manera que contienevarios ingredientes que son considerados de-s(~ab]esen la enseñanza de las Ciencias.

De alguna manera se transmite la convicciónde que laFísica debe enseñarse como actividadaplicada a la vida cotidiana y que éstas debentener un apoyo experimental.

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R1EFERE~ClA

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