BIOELECTROMAGNETISMO: HISTORIA DE UNA DISCIPLINA

ACTUAL José Luis Sebastián Franco

Departamento de Física Aplicada III Universidad Complutense de Madrid

e-mail: jlsf@fis.ucm.es netismo 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

Abstract- Bioelectromagnetism is a discipline that studies the electromagnetic phenomena which arise in biological tissues. By definition it is interdisciplinary, since it involves the association of the life sciences with the physical and engineering sciences. The public concern about possible bio-effects from RF fields has led to consider the Bioelectromagnetism to be of primary importance in many national research programs. This paper shows that although Bioelectromagnetism is now a familiar term it is not a new discipline, as its long and rich history demonstrates.

Medicina Biología Electrónica

Bio- Electrónica Ingeniería Médica

Electromagnetismo Médica I. 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

Bio-IngenieríaIngeniería

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 bioelectro- magnetismo 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 bioelectro- magnetismo 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 bioeléctro- magnéticos, 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 bioelectromag-

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.

II. 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.

Fig. 2. Experimento de eselectroquímica de dos mearco bimetálico en contacuna corriente electrica de muscular.

Alessandro Volta (174sobre la estimulación gexplicación sobre el melectricidad a partir de dSus trabajos dieron lugarla pila voltaica, una bateeléctrica continua. En 1batería constituida por 2300 V. desarrolló cardiorrespiratoria, al apcostillas inferiores del había sido anestesiado método con éxito a sietparadas respiratorias repAunque todas las invenmencionado anteriormenmedicina, su verdadero de las bobinas de inducdando lugar a la denomiprimeros que aplicaroaplicaciones médicas Reymond (1818-1896) 1874 respectivamente [corteza cerebral con codaban lugar a movimiecontrario y también al gi[6]. A finales de los añhumanos in vivo aplicanelectrodos o con grasignificaron el comienobservaba un parpadeo individuo dentro de un con el tiempo. Este cabobina por la que circulHz. La causa de este pacampo magnético en la rél. Este fue el primemagnética del sistema nrealizó la primera estimu

Zn

Cu

timulación de Luigi Galvani. La actividad tales distintos (zinc y cobre) formando un to con el electrolito del tejido producía

estimulación que originaba la contracción

5-1827) continuó los experimentos alvánica, proporcionando una mejor ecanismo por el cual se producía os metales distintos y un electrolito. en el año 1800 al descubrimiento de ría que podía proporcionar corriente 872, Thomas Green utilizando una 00 celdas capaces de generar hasta

el proceso de resucitación licar este voltaje entre el cuello y las lado izquierdo de un paciente que con cloroformo. Green aplicó este e pacientes sin pulso que sufrieron entinas [4]. ciones y experimentos que se han te contribuyeron a afianzar la electro comienzo lo constituye la invención ción por Michael Faraday en 1831, nada estimulación de Faraday. Los n la bobina de inducción para fueron Emil Heinrich du Bois-y Robert Bartholow en 1846 y en 5]. El Dr. Bartholow estimuló la rrientes de Faraday y observó que ntos de las extremidades del lado ro de la cabeza hacia ese mismo lado os 1800, d’Arsonval calentó tejidos do corrientes de alta frecuencia con ndes bobinas. Sus experimentos zo de la diatermia. d’Arsonval cuando colocaba la cabeza de un campo magnético intenso variable

mpo estaba generado por una gran aban 32 A con una frecuencia de 42 rpadeo era el efecto estimulante del etina, que se sabe es muy sensible a r experimento sobre estimulación ervioso. Posteriormente, en 1985 se lación 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. Señales Biomagnéticas La conexión entre la electricidad y el magnetismo la descubrió experimentalmente Chritian Örsted (1777-1851) en 1819 y en 1864 James Clerk Maxwell (1831-1879) desarrolló las ecuaciones que relacionan los campos eléctrico y magnético variables con el tiempo. A pesar de conocerse bien la interdependencia electromagnética, hubo de transcurrir bastante tiempo antes de que se pudieran detectar las señales biomagnéticas y bioeléctricas debido a que eran extremadamente débiles. En 1963, Gerhard Baule y Richard McFee [11] detectan la primera señal biomagnética, el magnetocardiograma (MCG). Utilizaron un magnetómetro cuya bobina de inducción estaba formada por dos millones de vueltas de hilo de cobre alrededor de un núcleo de ferrita. A esta bobina, que se colocaba delante del corazón, se le conectaba en serie una segunda bobina idéntica y paralela a la primera. Los dos carretes estaban bobinados en sentidos contrarios de forma que cancelaban los campos magnéticos de fuentes distantes externas comunes a ambas bobinas. En 1968, David Cohen [12] utilizando también un magnetómetro de bobina de inducción consiguió registrar con éxito el primer magnetoencefalograma (MEG), la señal magnética generada por la actividad eléctrica del cerebro. La introducción del SQUID (Superconducting Quantum Interferente Device) trabajando a la temperatura de helio líquido (-269ºC) permitió lograr una excelente sensibilidad en las medidas biomagnéticas, obteniéndose en 1972 el primer registro MEG utilizando SQUID [13]. Señales Bioeléctricas En 1838, Carlo Matteucci (1811-1865) fue el primero en detectar una señal bioeléctrica [14], midiendo el impulso muscular en un músculo de rana. Sus experimentos los repitió en 1841 Emil du Bois-Reymond, quien utilizando una instrumentación mejor fue capaz de medir la corriente asociada al impulso muscular [5]. Su mejorada técnica experimental la aprovechó Richard Caton (1842-1926) para medir la actividad eléctrica del cerebro de conejos y monos. Se considera que los primeros informes de Caton [15] sobre sus experimentos que fueron publicados en 1875 constituyen el descubrimiento del electroencefalograma (EEG). Posteriormente, en 1888 el científico Adolf Beck [16] demostró con éxito que el impulso eléctrico se propagaba a lo largo de la fibra nerviosa sin atenuarse. Los trabajos de Beck corroboraron de forma independiente las conclusiones

de Caton. Sin embargo, no sería hasta 1924 cuando Hans Berger (1873-1941) logró el primer registro de EEG de un humano, identificando los dos ritmos principales [17].

Fig. 3. Reproducción de una página del libro de notas de Berger donde muestra los primeros registros de EEG de un humano.

El primer registro de la actividad eléctrica del corazón humano, el electrocardiograma (ECG), lo consiguió en 1887 Augustus Waller (1856-1922) utilizando un electrómetro capilar. Waller [18] encontró que el generador eléctrico cardiado tiene una naturaleza bipolar y sugirió que el ECG debería medirse entre los cinco puntos de medida formados por las manos, las piernas y la boca.

Fig. 4. Primer registro de un electrocardiograma humano realizado por Augustus Waller en 1887 utilizando un electrómetro capilar. La curva e es la linea de separación entre las zonas blanca y negra mientras que la curva h es el apexcardiograma.

A principios del siglo XX, Willem Einthoven (1860-1927) desarrolló el primer registrador ECG de alta calidad [19] utilizando un galvanómetro de hilo y Horatio Williams fué el primero en construir una secuencia de vectores instantáneos y es considerado como el inventor de la vectorcardiografía [20]. Hay que destacar que los principios de medida utilizados para determinar las primeras señales bioeléctricas y biomagnéticas eran prácticamente idénticos. Así, en la primera medida de una señal bioeléctrica, realizada por Matteucci en 1838, se utilizó una aguja imantada como detector. Debido a que el campo bioeléctrico, producido por las corriente bioeléctricas que circulan por la anca de la rana, es demasiado débil para desviar la aguja, éste se amplificaba haciendo circular la corriente a través de una bobina y situando la aguja en su interior. El efecto del campo magnético terrestre se compensaba mediante la forma en ocho que tenía el arrollamiento y colocando en las aberturas de la bobina dos agujas magnéticas idénticas en la misma suspensión y orientadas en direcciones opuestas.

REFERENCIAS

[1] Kellaway P (1946): Bull. Hist. Med. 20: 112-37. [2] Brazier MAB (1959): The historical development of

neurophysiology. In Handbook of Physiology. Section I: Neurophysiology, Vol. I, ed. IJ Field, HW Magoun, VE Hall, pp. 1-58, American Physiological Society, Washington.

[3] Rowbottom M, Susskind C (1984): Electricity and Medicine. History of Their Interaction, 303 pp. San Francisco Press, San Francisco.

Fig. 5. El galvanómetro astático inventado por Nobili en 1825 y utilizado por Matteucci para medir la primera señal bioeléctrica.

Para obtener el primer magnetocardiograma, Baule y McFee midieron con una bobina el campo magnético producido por las corrientes bioeléctricas que circulan por el cuerpo humano. Igualmente emplearon un gran número de vueltas para amplificar el campo biomagnético y dos bobinas para compensar el campo magnético terrestre y de otras fuentes externas. Se observa entonces que desde un punto de vista tecnológico las medidas de señales bioeléctricas y biomagnéticas solo se pueden discriminar en base a que la conversión de corriente bioeléctrica en campo magnético tenga lugar dentro o fuera del cuerpo respectivamente. Con la invención del electrómetro capilar por Lippman en 1873 y especialmente el desarrollo de los amplificadores electrónicos, ya no fué necesario utilizar los campos magnéticos y por consiguiente las medidas bioeléctricas y biomagnéticas han seguido caminos distintos. Desde un punto de vista teórico, las primeras medidas de señales bioeléctricas eran medidas auténticamente eléctricas, mientras que las primeras medidas biomagnéticas por McFee eran auténticamente magnéticas.

[4] Green T (1872): On death from chloroform: Its prevention by a galvanism. Br. Med. J. 1:(May 25) 551-3.

[5] du Bois-Reymond EH (1843): Vorläufiger Abriss einer Untersuchung ueber den sogenannten Froschstrom und ueber die elektromotorischen Fische. Ann. Physik und Chemie 58: 1-30.

[6] York DH (1987): Review of descending motor pathways involved with transcranial stimulation. Neurosurg. 20:(1) 70-3

[7] Barker AT, Jalinous R, Freeston IL (1985): Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet 1:(8437) 1106-7.

[8] Ziemssen H (1882): Studien über die Bewegungsvorgange am menschlichen Herzen. Deuts. Archiv f. klin. Med. 30: 270-303.

[9] Hyman S (1932): Resuscitation in stopped heart. Arch. Int. Med. 50: 283-305.

[10] Zoll PM (1952): Excitation of the heart in ventricular standstill by external electric stimulation. N. Engl. J. Med. 247: 768-71.

[11] Baule GM, McFee R (1963): Detection of the magnetic field of the heart. Am. Heart J. 55:(7) 95-6. La invención en 1906 del tubo de vacío por Lee de Forest

(1837-1961) y del transistor por Bardeen y Brattain supuso una revolucionó en la tecnología de la medida y el comienzo de la era del semiconductor. Esto permitió la miniaturización de la instrumentación empleada en bioelectromagnetismo, haciéndola más portátil, implantable y sobre todo más precisa y fiable.

[12] Cohen D (1968): Magnetoencephalography, evidence of magnetic fields produced by alpha-rhythm currents. Science 161: 784-6.

[13] Zimmerman JE, Thiene P, Hardings J (1970): Design and operation of stable r-f biased superconducting point-contact quantum devices. J. Appl. Phys. 41: 1572.

III. CONCLUSIONES

De lo expuesto anteriormente casi se puede decir que hasta la mitad del siglo XIX, la historia del electromagnetismo ha sido también la historia del bioelectromagnetismo. Aunque algunas de las técnicas básicas que se están empleando actualmente en la instrumentación bioelectromagnética corresponden a los primitivos instrumentos, los últimos avances científicos han hecho posible la investigación a nivel subcelular, midiendo la corriente eléctrica a través de un único canal de iones de la membrana celular con el método clatch-clamp. Este método ha incorporado el bioelectromagnetismo a la biología molecular y al desarrollo de nuevos fármacos, lo que abre nuevas oportunidades en el desarrollo de métodos terapéuticos y de diagnóstico. La comprensión de la función de las células nerviosas, del cerebro y su simulación por modelos electrónicos ha dado lugar al desarrollo de los neurordenadores. Estos avances ponen aun más de manifiesto el importante papel cientifico del bioelectromagnetismo.

[14] Matteucci C (1838): Sur le courant électrique où propre de la grenouille. Second memoire sur l'électricité animale, faisant suite à celui sur la torpille. Ann. Chim. Phys. (2ème serie), 67: 93-106.

[15] Caton R (1875): The electric currents of the brain. Br. Med. J. 2: 278.

[16] Beck CS, Pritchard WH, Feil HS (1947): Ventricular fibrillation of long duration abolished by electric shock. JAMA, J. Am. Med. Assoc. 135: 985.

[17] Berger H (1929): Über das Elektroenkephalogram des Menschen. Arch. f. Psychiat. 87: 527-70.

[18] Waller AD (1887): A demonstration on man of electromotive changes accompanying the heart's beat. J. Physiol. (Lond.) 8: 229-34.

[19] Einthoven W (1908): Weiteres über das Elektrokardiogram. Pflüger Arch. ges. Physiol. 122: 517-48.

[20] Williams HB (1914): On the cause of the phase difference frequently observed between homonymous peaks of the electrocardiogram. Am. J. Physiol. 35: 292-300