Práctica 1 — Laboratorio de Fisiología Médica I

Sistemas de Registro de Fenómenos Fisiológicos: el Sistema de Adquisición de Datos MP150 (BIOPAC Systems Inc.)
Universidad Autónoma de Aguascalientes — Centro de Ciencias Básicas — Departamento de Fisiología y Farmacología

I. Fundamentos histórico-conceptuales

La capacidad de registrar, estudiar y cuantificar los fenómenos fisiológicos de manera individual, así como los cambios que éstos experimentan a través del tiempo y la integración de las relaciones temporales entre diferentes fenómenos, ha constituido desde siempre la base del conocimiento científico de los fenómenos fisiológicos.

Conocimiento empírico vs. conocimiento científico

La diferencia se basa en cómo se adquieren.

Reseña histórica de los sistemas de registro

Galvanismo y bioelectricidad (Luigi Galvani, década de 1780)

• Luigi Galvani (1737-1798) observó que, al tocar accidentalmente con la punta de un bisturí el músculo de la pata de una rana, ésta se contraía debido a que el bisturí estaba cargado eléctricamente. Demostró que la contracción muscular podía inducirse en cualquier músculo al aplicarle una pequeña descarga eléctrica.
• De estos experimentos surgió la teoría del galvanismo: el cerebro de los animales producía electricidad (bioelectricidad) que se transmitía a los nervios, y éstos a su vez la transmitían a los músculos, provocando la contracción muscular y así el control de los movimientos.
• Galvani construyó con esta observación un "sistema de registro primitivo" para estudiar la relación entre estimulación eléctrica y contracción muscular.

Quimiógrafo / Kimógrafo (Carl Ludwig, década de 1840)

• Instrumento de registro inventado por el fisiólogo alemán Carl Ludwig, interesado en integrar la química, la física y la matemática al estudio del ser humano.
• Fue el instrumento más importante para el conocimiento científico y la enseñanza de los fenómenos fisiológicos en los siglos XIX y XX (≈ 1840-1960, más de 120 años de uso).
• Se desarrollaron componentes sensoriales llamados traductores (transductores) que permitieron registrar fenómenos mecánicos: respiración, presión arterial, contracción cardiaca, contracción del músculo esquelético y del músculo liso, entre otros.
• Estructura: tambor metálico montado sobre un eje vertical que gira a diferentes velocidades (mecanismo de relojería o electrónico); posee cinco velocidades, seleccionables con un botón en la parte frontal de la base. El tambor se cubre con papel ahumado sobre el que se traza el registro mediante palancas inscriptoras. Registro tipo plano cartesiano: eje X (abscisas) = tiempo, eje Y (ordenadas) = fenómeno fisiológico.

Ejemplos de uso del kimógrafo:

• Actividad contráctil del músculo de rana: cilindro de papel ahumado, plumilla inscriptora y estimulador (control de magnitud, duración y frecuencia de los estímulos).
• Movimientos respiratorios: sistema de cilindros y campana conectada a la plumilla (sube durante la espiración y baja durante la inspiración); permite registrar volúmenes y capacidades pulmonares (espirograma).
• Propiedades contráctiles del corazón: hilo amarrado al ápice cardiaco, sujeto a una plumilla que descansa sobre el papel ahumado.
• Presión arterial (conejo, rata, perro, caballo): conexión a la arteria, tubo lleno de mercurio y varilla flotante conectada a la plumilla; al tener escala, permite medir frecuencia de latidos y presión arterial.

Osciloscopio de rayos catódicos (Ferdinand Braun, 1897)

• Inventado por el fisiólogo alemán Ferdinand Braun (1850-1918). Permitió registrar con gran precisión la actividad eléctrica (bioelectricidad) de nervios y músculos como potenciales de acción, y calcular su velocidad de conducción.
• Tres elementos fundamentales:
  1. Tubo de rayos catódicos: tubo al vacío con una fuente de electrones en un extremo; el rayo se dirige a una pantalla con material fosforescente que emite destellos al ser golpeada, haciendo visible la posición del rayo. A los lados hay dos juegos de placas (electrodos): unas horizontales y otras verticales.
  2. Amplificador electrónico: conectado a las placas verticales (polo positivo a la placa superior, negativo a la inferior); cuando la placa superior se carga positivamente, el rayo se desplaza hacia arriba. Amplifica señales débiles de actividad nerviosa (orden de milivoltios).
  3. Unidad de barrido: conectada a las placas horizontales; cuando la placa derecha se carga positivamente, el rayo de electrones (carga negativa) es atraído hacia la derecha. Acelera el desplazamiento horizontal del rayo, lo que permite registrar cambios rápidos (fracciones de milisegundo), porque los potenciales de acción son muy rápidos (milisegundos).
• Preparación experimental: se diseca el nervio ciático de rana (desde los últimos segmentos lumbares, por la parte posterior del glúteo y del muslo hasta la terminación distal en la pata); se coloca sobre la cámara para el nervio, con electrodos de estímulo en un extremo y electrodos de registro en el opuesto; se conecta al estimulador y a la pantalla del osciloscopio → registro del potencial de acción compuesto (compound action potential).

Transductores y Galvanómetro de D'Arsonval (1882)

• Se amplió el número de variables registrables al convertir cualquier tipo de energía (química, eléctrica, mecánica, acústica, térmica…) en señales eléctricas mediante transductores, conectados a un dispositivo electrónico (galvanómetro de D'Arsonval).
• Galvanómetro de D'Arsonval: inventado en 1882 por el ingeniero Jacques-Arsène d'Arsonval; detecta y mide pequeñas corrientes en un circuito cerrado. Es un transductor analógico electromecánico que produce un movimiento de rotación de una aguja/puntero en respuesta a pequeñas corrientes que fluyen por su bobina. Fue el fundamento de la siguiente generación de sistemas de registro (desde la primera década del siglo XX).

Electrocardiógrafo y electroencefalógrafo (principios del siglo XX)

• Electrocardiógrafo: William Einthoven, 1903; modificó el galvanómetro (diseñado para estímulos eléctricos de magnitud muy pequeña) para registrar cómo funciona eléctricamente el corazón normal y anormal.
• Electroencefalógrafo: Hans Berger, 1924.

Fisiógrafo y polígrafo (desde la década de 1940)

• Desarrollo explosivo de equipos multicanal (fisiógrafo y polígrafo) que registran simultáneamente muchas variables fisiológicas.
• Basta con que la energía de cada variable sea convertida (transducida) en una señal eléctrica medible, inscrita en papel con la plumilla del galvanómetro correspondiente.
• Dr. Leslie Geddes: inventor prolífico de transductores fisiológicos y del fisiógrafo de canales múltiples; responsable de grandes avances de la fisiología en el siglo XX.

Digitalización y sistemas informáticos (finales del siglo XX–actualidad)

• Avance más importante: digitalización de las señales fisiológicas. Los sistemas informáticos de adquisición de datos recogen señales eléctricas-analógicas del transductor y las convierten en señales digitales procesables por computadora.
• Es la base del conocimiento más avanzado de la fisiología y la medicina (curso de Laboratorio de Fisiología Médica 1 y 2). Esta práctica usa el Sistema MP150-AcqKnowledge de BIOPAC Systems Inc.

Cronología resumida

II. El Sistema MP150-AcqKnowledge (BIOPAC Systems Inc.)

• Sistema de cómputo diseñado para registrar, almacenar y reproducir gráficamente los fenómenos fisiológicos. Formado por hardware (elementos electrónicos) y software (programa AcqKnowledge).
• Registra desde un fenómeno aislado (1 canal) hasta 16 variables simultáneamente (16 canales). Permite estudiar, reconocer, separar, caracterizar y cuantificar la duración y amplitud de los componentes de un fenómeno fisiológico y sus cambios en el tiempo.
• Ejemplo (músculo cardiaco): caracterizar sístole y diástole, su duración, cambios en la fuerza de contracción cuando el músculo se somete a tracción, o el efecto de la estimulación del nervio vago sobre la frecuencia cardiaca y la fuerza de contracción.
• Varios canales simultáneos: permite estudiar relaciones temporales entre fenómenos. Ej. ciclo cardiaco: registro simultáneo de electrocardiograma, fonograma (ruidos cardiacos), presión auricular derecha y presión de la arteria aorta; se analiza cada canal por separado y luego se establecen relaciones temporales para obtener una visión integral.

Objetivos de la práctica

1. Conocer los elementos de un canal de registro y describir sus características funcionales:
   • Hardware: (1) Transductores (miógrafos, de presión, flujómetros, oxímetros, goniómetros, cuentagotas, etc.); (2) Amplificadores (DA100C, EEG100C, EMG100C, ECG100C, etc.); (3) Módulo de Interfase Universal (MIU o UIM); (4) Unidad de Adquisición de Datos MP150; (5) Computadora.
   • Software: AcqKnowledge.
2. Aprender a interconectar los elementos del sistema MP150 para armar un canal e instalar AcqKnowledge.
3. Conocer lo básico del manejo de AcqKnowledge, usando un canal para obtener una curva de calibración con el transductor miógrafo TSD105A y pesas de valor conocido.
4. Conocer las características de los estimuladores electrónicos y su manejo (estimulador STIM200/STM200: a partir de señales digitales genera pulsos eléctricos).

Material (17 componentes)

Configuración de un Canal de registro

Ensamblar, en el orden indicado: Transductor → Amplificador → Módulo de Interfase Universal (MIU) → Módulo de Adquisición de Datos (MAD MP150) → Computadora. Ensamblados forman el canal de datos / canal de registro / canal.

Características funcionales de cada módulo

1) Transductor

• Dispositivos que convierten cualquier tipo de energía en señales eléctricas-analógicas.
• Transductores de presión: convierten la presión sanguínea en una señal eléctrica proporcional a la magnitud de la presión.
• Transductores miógrafos: convierten la fuerza de contracción de un músculo en una señal eléctrica proporcional a dicha fuerza.
• Conceptualmente funcionan como los receptores sensoriales del sistema nervioso:

2) Amplificador diferencial DA100C

• Recibe la señal analógica del transductor y opera con ella: amplifica su magnitud (ganancia/gain: 50, 200, 1000 y 5000 veces) para producir una señal aceptable para el MIU100C.
• Posee un sistema de filtros que atenúan señales eléctricas indeseables (ruido). La selección del filtro depende del transductor (guía del usuario). Normalmente basta una menor distorsión; envía señal con compensación y ganancia ajustables.

3) Módulo de Interfase Universal 100C (MIU100C / UIM100C)

• Se localiza entre el amplificador y el MAD MP150. Sirve como interfase entre amplificadores (u otros dispositivos externos) y el MP150; recibe hasta 16 señales analógicas de 16 amplificadores, incluso de otras marcas comerciales.
• Tiene dos miniconectores que emiten señales analógicas para controlar dispositivos (p. ej. el estimulador STM200).
• Se describe como un "adaptador" que permite conectar cualquier transductor no fabricado por BIOPAC, mediante entradas analógicas y digitales.

4) Unidad de Adquisición de Datos MP150 (MAD MP150)

• Parte central del sistema; funciona como CPU o "cerebro". Recibe las señales analógicas del MIU y las digitaliza para que la computadora las procese.
• Aplicaciones del sistema MP: hemodinámica cardiovascular; fisiología cardiaca; electrocardiografía; electroencefalografía; electromiografía; movimientos oculares (electro-oculograma); potenciales evocados; fisiología del ejercicio; láser Doppler; pletismografía; psicofisiología; fisiología pulmonar; estudios de sueño; monitoreo a distancia (telemetría); farmacología in vitro; registro de señales de amplificadores de otras marcas, entre otros.

5) Computadora y software AcqKnowledge

• Permite que los fenómenos: (10) sean visualizados en pantalla; (11) sean almacenados en RAM o disco duro; (12) puedan ser analizados y manipulados posteriormente (como un procesador de textos guarda un archivo). Con otros programas compatibles, se representan en gráficas u hoja de cálculo.
• AcqKnowledge permite (1) adquisición y registro y (2) análisis detallado (en el momento o después). Interfaz tipo Windows; la mayoría de funciones con clic.

III. Operación de un canal de registro con AcqKnowledge

Antes de instalar el programa, verificar que sea compatible con la computadora.

A. Ensamblaje e inicio del sistema

1. Armar el canal: Transductor → Amplificador DA100C → MIU100C → MP150 → Computadora.
2. Encender la computadora; luego conectar a la corriente el MP150; esperar a que se establezca la interconexión (icono de "aviso" de conexión exitosa en la parte inferior derecha de la pantalla).
3. Abrir el icono AcqKnowledge 4.1 (doble clic).
4. A veces aparece una ventana: casilla "Work with" → desplegar y seleccionar los números y letras del modelo BIOPAC (corroborar que esté conectado al MP150).
5. Clic en "OK". Aparece la pantalla principal.

B. Configuración del canal (Set Up Channels)

1. Clic en "Set up Channels…".
2. Clic en "Add New Module" y seguir la secuencia en pantalla.
3. Seleccionar el módulo de la práctica: DA100C.
4. El canal seleccionado debe coincidir con el número seleccionado físicamente en el módulo DA100C (indicado en la parte superior del mismo); si no, corregir.
5. Verificar que módulo y canal coincidan.

C. Preparación del transductor y calibración inicial

1. En el transductor, colocar el ganchillo en el rango de 100 g (máximo a registrar 100 g) y seleccionar en "Pretensión" el valor 0 (el peso del gancho no se toma en cuenta). El transductor presenta valores 50, 100, 500 y 1000 (rango de peso del ganchillo); en cada práctica se especifica el rango. El primer valor siempre es 0.
2. Colocar una pesa de valor conocido y agregar su peso en la pantalla de calibración. Esto permite reconocer el posible sesgo: al colocar un peso e indicar su valor (p. ej. 10 g), el sistema ajusta el rango para esas magnitudes.

D. Valores de adquisición

• Parámetros: Record, Append, Disk, Sample Rate = 2000, Acquisition Length = 4 horas; cerrar la ventana.

E. Guardado del archivo

F. Inicio del registro, velocidad de barrido y escalas

1. Clic en START para iniciar; Stop para detener. Para establecer la velocidad del registro se sigue la secuencia correspondiente (p. ej. colgando una pesa de 20 g).
2. Ajustar la velocidad de barrido según el fenómeno: si ocurre en fracción de segundo (potenciales de acción nerviosos) → velocidad muy rápida (mseg/división); si es lento (frecuencia de contracciones del músculo liso aislado) → segundos o minutos/división.
3. Escala del eje Y: doble clic en la columna vertical del extremo derecho de la pantalla; aparece un menú con la amplitud actual. Ejemplo: cambio de 25.0 g/div a 10.0 g/div modifica cómo se visualiza el registro. Clic en OK.

G. Medición: parámetros de la barra de mediciones

• Configurar: doble clic en alguna ventana y elegir Delta T, P-P, Min, Max y BPM según se requiera. Para medir hay que tener seleccionado el puntero de medición.
• Para activar: doble clic en la ventana Start; el registro aparece como línea desplazándose hacia la derecha. Durante el registro se pueden hacer marcas con clic en la banderita y escribiendo el nombre, o con la tecla F9.

IV. Calibración del registro con pesas de valor conocido

• Con el transductor de fuerza TSD105A, colgar pesas de valor conocido en el ganchillo más adecuado (según la magnitud esperada: hasta 50, 100, 200, 500 y 1000 g). Para esta práctica se usa el ganchillo de 100 g (según la versión del manual, el de referencia puede ser 200 g; seguir la indicación vigente del instructor).

Procedimiento

1. Stop; con cuidado colgar la pesa de menor valor (2 o 5 g) en el ganchillo señalado como 100 g.
2. Start; registrar 3 segundos la altura que alcanza con el peso.
3. Stop, retirar la pesa y registrar sin la pesa 3 segundos (Start).
4. Stop; colocar la siguiente pesa de mayor valor; registrar 3 s y parar.
5. Retirar la pesa, registrar sin pesa y parar.
6. Continuar hasta la pesa de máximo valor (100 g).
7. Doble clic en la herramienta "selección del registro" y medir: con el cursor, seleccionar el registro del valor basal, que debe ser igual a 0 (según Max y Min). Continuar midiendo con los diferentes pesos hasta el más alto.

Tabla de resultados de la calibración

• Gráfica (papel cuadriculado o Excel): eje X = valores crecientes de las pesas, eje Y = valores alcanzados por el registro. Al unir los puntos se observa una línea recta que empieza en 0, con pendiente de 45°.

Gráfica interpolable en AcqKnowledge

1. Con la herramienta de selección, seleccionar todo el registro de las pesas.
2. Clic derecho en la selección → "Duplicate Waveform".
3. Con la herramienta correspondiente, colocar el puntero sobre cualquier parte de la recta: entrega un valor X, Y (intersección o valores interpolados).

V. Operación del estimulador STM200

El STM200 genera pulsos eléctricos a partir de señales digitales.

Instalación

• Conectar el regulador de corriente a la salida "DC Input" y el otro extremo del cable a la corriente regulada.
• Conectar el cable Ethernet del estimulador (Reference Output) a una entrada del módulo HLT100C que no corresponda a un canal en el que se registre una variable fisiológica.
• Conectar el cable auxiliar "Trigger" a la entrada "Analog Output" 0 ó 1 del MIU100C.

Configuración del estimulador en AcqKnowledge 4.1

1. Clic en MP150 → "Set Up Channels".
2. Clic en "Add new module".
3. Seleccionar el módulo y puerto al que se conectó (módulo HLT100C y número de canal del cable Ethernet).
4. Seleccionar "Custom" → OK (importante dejarlo en Custom):
   • "Cal 1": 10 (input volts) y 1,000 (map value).
   • "Cal 2": -10 (input volts) y -1,000 (map value).
   • Clic en OK.
5. Así, el voltaje en pantalla corresponde al enviado por el estimulador al amplificar la señal. Colocar "volts" en Label.

Configuración de las variables del estímulo

MP150 → "Set Up Stimulator"; seleccionar el Analog Output 0 ó 1 donde se conectó el estimulador al Analog Output de la UIM100C.

• Estímulo "Once" (único) o "Continuous" (continuo, múltiple). Iniciar con "On". Para modificar la frecuencia: primero "Off", modificar (línea azul, escala de 4000 samples = estímulos/segundo) y de nuevo "On"; de lo contrario no se refleja.
• Se recomienda escala de 50,000 para que los estímulos sean visibles y cuantificables; el voltaje real lo da la perilla del estimulador. A mayor voltaje y frecuencia, el patrón se modifica proporcionalmente.

Cálculo de la frecuencia de estimulación

Los demás segmentos se mantienen en 0.00000; en el segmento #2 de volts colocar 10 o el máximo permitido.

1. Dividir 1000 ms entre la frecuencia deseada → duración requerida para (estímulo + intervalo) (esta duración del estímulo se coloca en el Seg #2).
2. Restar la duración del estímulo (Seg #2) al cociente → resultado en Seg #5 (intervalo entre estímulos).

Ejemplo (10 estímulos/s): 1000 ÷ 10 = 100 ms → 100 − 2 ms (Seg #2) = 98 ms (Seg #5) → 10 estímulos por segundo.

Tabla de valores para frecuencias comunes

(Valores que no aparezcan en la tabla se colocan en cero.)

• Seg #5 = intervalo entre estímulos; Seg #2 = duración del estímulo; juntos deben sumar el cociente ms/cantidad de estímulos (por eso el valor a dividir es siempre 1000 ms — duración de 1 s — entre la cantidad de estímulos deseados).
• Los valores del Stimulator Sample Rate definen la duración de la adquisición y se mantienen constantes para mostrar la cantidad más cercana a 1 s (o 2 s) en pantalla.
• El Sample Rate no debería afectar la frecuencia de estimulación, aunque se recomienda 4000 samples/sec con fines visuales (1 s de duración en pantalla) y para el correcto funcionamiento de los cálculos; se puede configurar para dar estímulos cada 2 s. En el Analog Output puede aparecer una cantidad inexacta de estímulos porque la representación se basa en 1024 ms; no hay que preocuparse por un estímulo extra.

Prueba de funcionamiento con timbre

• Otra opción: dar los estímulos manualmente con el botón "Manual Test" (parte posterior del STM-200). Las maniobras con estímulos manuales se especifican en los protocolos.
• Conectar a una campana o timbre, seleccionar estímulo continuo, "On" y con la perilla subir el voltaje hasta que suene. Registrar el voltaje al que sonó. Modificar la frecuencia y anotar cómo cambió el sonido.

VI. Resumen: elementos del canal y sus funciones

• El canal de registro = conjunto de estos 5 elementos. Cada canal registra un fenómeno fisiológico por separado (presión arterial, fuerza de contracción, gotas de orina…); el MP150 registra hasta 16 canales simultáneamente.
• Agregar canales:
  • BIOPAC: se agregan amplificadores adicionales; cada uno con el selector superior en el canal correspondiente (1, 2, 3… 16).
  • Externo: se agregan respetando el número de canal en el MIU.

Notas Relacionadas

• Plan de estudio Curso Instructores 2026
• Práctica 5 - Unión neuromuscular — usa el STM200, calibración y TSD105A.
• Práctica 7 - Propiedades del músculo cardiaco — usa Delta-T, P-P, BPM.
• Práctica 12-13 - Modelo mecánico del pulmón y sello de agua — usa transductores de presión TSD104A.
• Potencial de acción · Transductor · Calibración de registro