Conferencia de Andrés Souto, Ingeniero Especialista en Bioingeniería, sobre la fisiología del cuerpo humano, impartida el 27 de octubre de 2009 en la Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos. Más información en: http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/408-conferencia-la-compleja-maquina-humana

1. El CUERPO HUMANO COMO
COMPLEJA MAQUINA
DE
INGENIERIA
Visión funcional

2. LA MAQUINA HUMANA
El cuerpo humano como compleja
máquina de ingeniería

3. ESTUDIO DEL SER HUMANO
El estudio del hombre ha constituido siempre una fascinante tarea para filósofos, poetas, médicos e
ingenieros que quisieran comprender las funciones de la inteligencia y del organismo humano definiéndolas
completamente si ello fuera posible mediante las leyes de la física, química y otras ciencias conocidas del
momento.

4. TECNOLOGIAS HUMANAS
Ciencia y Tecnología
Los modelos mediante los cuales avanza la ciencia están habitualmente basados en la tecnología al uso.
Podríamos decir que la tecnología proporciona el equipo y los materiales con los que el científico procura
comprobar sus especulaciones y teorías.
En el lenguaje de hoy en día, la ciencia vendría a ser quizá el “software” y la tecnología el “hardware”.
TECNOLOGÍA HUMANA - Modelo del hombre. Evolución
El cuerpo humano como recipiente en equilibrio de los 4 elementos (tierra, aire, fuego
y agua), o las 4 cualidades (seco, húmedo, caliente y frio) y los 4 humores (flema, sangre,
bilis negra y bilis amarilla). Modelo de los antiguos griegos.
El cuerpo humano como conjunto de palancas, cables, poleas y fuelles. Siglo XVII,
cuando la mecánica de Galileo y Newton parecía capaz de resolver cualquier problema.
El cuerpo humano como ingenio térmico, que consume combustible y utiliza energía
en diversas formas. Modelo de los fisiólogos en la era del vapor.
El cuerpo humano como una máquina autopropulsada de energía con múltiples e
ingeniosos rasgos en su diseño. Modelo del bioingeniero actual.

5. MODELO TECNOLOGICO HUMANO ACTUAL – Peculiaridades I
Unos engranajes continuamente variables permiten desarrollar un rendimiento a plena potencia y a muy
diversas velocidades
La máquina se mantiene mediante una gran variedad de combustibles y contiene considerable reservas de
los mismos
Incluye detallados dispositivos de autorreparación y está lubrificada de por vida
El mecanismo se halla controlado por un computador (el cerebro) más sofisticado que cualquiera de los
dispositivos electrónicos similares construidos hasta ahora, que se sirve para su gobierno de:
- Complejos sistemas de orientación y navegación para examinar el
entorno mediante dispositivos que incluyen una cámara de 3D y un
reproductor de sonido HI-FI Estéreo.
- De un sistema de propulsión, que utilizando algunas de las ventajas de
los sistemas de ruedas y carriles permite al animal humano trepar a
árboles, saltar fosos y realizar muchas otras maniobras que superan la
capacidad de cualquier otro artilugio mecánico o electromecánico conocido.
- De un sistema de comunicaciones, que para la coordinación de las
actividades de los diversos sistemas implicados en el gobierno de este
mecanismo viviente, puede adoptar una o dos formas, a saber por
mensajeria química o por conexión alámbrica.

6. MODELO TECNOLOGICO HUMANO ACTUAL – Peculiaridades II
- El cerebro, que en principio es el centro de control de esta máquina humana, se ha desarrollado hasta el punto
de permitir el pensamiento abstracto, la creatividad artística y, en general, una actividad mental ejercida de un modo
regular o continuo, de índole muy compleja, que confiere al hombre una singularidad entre el resto de las criaturas.

7. Consideraciones para el estudio de la máquina humana (I)
Al estudiar tal máquina perecedera, habríamos de comenzar examinando su estructura, prosiguiendo con
el estudio de los distintos mecanismos y concluyendo con una revisión del centro de control y de las
posibilidades de perfeccionamiento en cuanto a diseño o rendimiento.
Así el funcionamiento de los órganos de los sentidos, responsables de la visión, el oído, el olfato y el gusto,
aunque deteriorados con repecto a los de los tiempos primitivos, es impresionante:
- El ojo posee muchas de las características de una sofisticada cámara fotográfica, si bien en un espacio
mucho más reducido y con unos controles completamente automáticos.

8. Consideraciones para el estudio de la máquina humana (II)
- El oido es quizá demasiado sensible, cómo lo
demuestra lo mucho que nos irritan los ruidos.
Presenta asimismo una sensibilidad aguda e
innecesaria en cuanto a los cambios de tono. Sin
embargo estas capacidades, aparentemente
superfluas, permiten una gran finura en cuanto a la
percepción y apreciación de música y ello en un
grado tal que es preciso un cuarto lleno de equipo
electrónico para explotar las plenas potencialidades
de la combinación de oído y cerebro.

9. Consideraciones para el estudio de la máquina humana (III)
El corazón, considerado como bomba, despierta la admiración por su fino diseño hidraúlico, su adaptación sin
esfuerzo a cargas variables y su extremada fiabilidad. Resulta significativo que la máquina de circulación
extracorpórea, destinada a suplir las funciones del mecanismo natural durante unas pocas horas, sea tan
voluminosamente mayor comparativamente hablando.

10. Consideraciones para el estudio de la máquina humana (IV)
El riñón es un sistema de ingeniería química con un diseño inimitable ya que “el riñón artificial” (máquina de
hemodiálisis) es grande y tosco en comparación con el humano, puesto que los materiales sintéticos no permiten ni
aproximadamente los rendimientos del órgano natural.

11. Consideraciones para el estudio de la máquina humana (V)
El higado es el laboratorio principal del organismo. En él predomina también la ingeniería química, ya que sus miles
de millones de células superespecializadas realizan funciones que no son capaces de reproducir en su totalidad ni los
laboratorios farmaceúticos más avanzados del mundo, llevando a cabo complejos procesos a baja temperatura y sin
ninguno de los potentes reactivos que serían precisos en tales laboratorios.

12. Consideraciones para el estudio de la máquina humana (VI)
La circulación es un ejemplo de un sistema con fines múltiples, sistemas que se dan con frecuencia en el cuerpo
humano, pero que por lo general exceden de la capacidad del diseñador de ingeniería. La sangre no es tan sólo una
línea o cadena líquida de montaje, una red de suministro vital y un sistema de eliminación de residuos, sino también la
base de los dispositivos corporales, altamente eficaces, de calefacción y refrigeración y del mecanismo de defensa
contra las infecciones...

13. Circulación
sanguínea
< Fuente: Gráfico explicativo de salud de EL MUNDO >

14. El organismo humano como “caja negra” viva
Un ejercicio clásico de análisis en ingeniería incluye la medida de las salidas de un sistema desconocido tal
como quedan afectadas por distintas combinaciones de entradas. Este sistema desconocido o “caja negra”
suele quedar caracterizado por un conjunto de ecuaciones entrada-salida que intentan definir sus funciones
internas. Funciones que pueden ser relativamente simples o enormemente complejas.
Una de las “cajas negras” más complejas que se puede concebir es un organismo vivo, especialmente el ser
humano.
Dentro de esta caja se pueden encontrar, cómo ya
habíamos anticipado :
Sistemas eléctricos, mecánicos, acústicos,
térmicos, químicos, ópticos, hidráulicos,
neumáticos y de muchos otros tipos
interaccionando todos unos con otros.
Varios tipos de sistemas de comunicación.
Una gran variedad de sistemas de control.
Un potente computador.

15. Problemas que se encuentran al hacer medidas en un sistema vivo
Para complicar más la situación, al intentar medir las entradas y salidas de esta “caja negra”, un ingeniero
aprendería pronto que nínguna de las relaciones entrada-salida es determinística, o sea que la aplicación
repetida de un conjunto de valores de entrada dados no siempre producirá los mismos valores de salida.
Partiendo del hecho de que, algunas veces es difícil incluso discriminar cuáles son las entradas y cuáles las
salidas, hay que contar con que en esta caja hay un elevado grado de interacción entre las variables; que
muchas de las importantes variables a medir no son fácilmente accesibles para los instrumentos de medida y
que eso da como resultado el que no se pueden determinar algunas
relaciones clave o que se deben emplear medidas sustitutivas (indirectas)
menos precisas.
Carotid artery
Innominate artery
Subclavian artery
Resumiendo, estos son los problemas que se encuentran al hacer
medidas en un ser vivo (en el ser humano pero también en los
animales, con los que se le sustituye a veces, para permitir medidas
o manipulaciones que no se puedan realizar sin algún riesgo para la
persona):
Heart
Lung
Pulmonaryartery
Aorta
Alveolar capil aries
Left atrium
Right atrium
Left ventricle
Right ventric le
Brachial artery
Liver
Kidney
Hepatic artery
Renal artery
Large intestines
Inaccesibilidad de las variables a medir
Capil aries of
gastrointestinal trac t
Smal intestines
Iliac artery
Variabilidad de los datos
Escasez de conocimientos sobre las interrelaciones
Femoral artery
Interacción entre sistemas fisiológicos
Efecto del transductor en la medida
Tibial artery
Artefactos
Limitaciones de energía
ARTERIAL SYSTEM

16. Función de la instrumentación médica
Consideraciones especiales de seguridad
Aunque la tarea de medir y analizar las variables en una “caja negra viva” probablemente es de lo más
dificultoso en ingeniería no deja de ser un estupendo reto para un ingeniero, de los que trabajando en este
campo de la medicina, esté motivado por el objetivo de intentar comprender las relaciones internas del
organismo humano. La función de la instrumentación médica a la que él colabora en su desarrollo es ayudar
al médico y al investigador a idear formas de obtener medidas del ser humano vivo, fiables y significativas.
Aún se dan otros problemas asociados con tales medidas que hacen que muchas de las técnicas empleadas
normalmente en la instrumentación, no se puedan aplicar aquí, a saber que :
1. El proceso de medida no debe poner en peligro en modo alguno la vida de la persona en la que se realizan
las medidas
y
2. No debería exigir que el individuo soporte un excesivo dolor o incomodidad o cualesquiera otras
condiciones indeseables
Algunos factores adicionales a añadir a las dificultades ya mencionadas para obtener medidas válidas son
también:
El entorno del hospital dónde se realizan.
El personal médico involucrado.
Ocasionalmente incluso consideraciones éticas y legales.

17. Sistema clásico de instrumentación
Un sistema clásico de instrumentación
podemos definirlo como el conjunto de
instrumentos o equipo utilizado en la
medida de una o más características o
fenómenos más la presentación de la
información obtenida, a partir de estas
medidas, de forma tal que la pueda leer
e interpretar el hombre.
“Caja negra”
Dado que en la obtención de datos de los organismos vivos aparecen problemas especiales y debido
a
la gran interacción entre el sistema de instrumentación a emplear y la “caja negra” (el individuo) en
dónde
medir, es esencial que la persona en la que se hacen las medidas sea considerada parte integrante de tal
sistema global de instrumentación o sistema hombre-instrumento.

18. Sistemas globales de instrumentación
Los objetivos básicos de cualquier sistema de instrumentación se enmarcan, por lo general, dentro de una de
las siguientes categorías principales:
Sistemas de adquisición de Información
Sistemas de Monitorización
Sistemas de Diagnóstico
Sistemas de Evaluación
Sistemas de Control
El campo de la instrumentación biomédica en general abarca o
incluye, hasta cierto punto, todos esos objetivos del sistema
general o global de instrumentación.

19. La instrumentación biomédica
 La instrumentación para investigación biomédica se puede considerar, por lo general, como
instrumentación de adquisición de información, aunque algunas veces se incluye algunos instrumentos de
monitorización y control.
 Estos junto con los de diagnóstico, son los que habitualmente conforman la instrumentación que sirve
para ayudar al médico en el diagnóstico de enfermedades y otras alteraciones físicas del
organismo, así cómo también se utilizan extensamente en la evaluación del estado físico de los
pacientes, en reconocimientos médicos ordinarios. También se emplea una instrumentación similar para
la monitorización de pacientes durante una operación o una estancia en cuidados
intensivos.

20. Tipos de instrumentación biomédica
La instrumentación biomédica se puede clasificar por lo tanto en dos grandes grupos principales:
De investigación. Se utiliza principalmente en investigación para conocer algo nuevo acerca de los distintos sistemas
que componen el organismo humano.
Clínica. Está dedicada básicamente al diagnóstico, cuidado y tratamiento de pacientes.
Dentro de este grupo cabe considerar también grosso modo dos subgrupos:
uno el de la instrumentación que tiene por objeto facilitar una visión mas funcional del organismo
–la llamada instrumentación para la monitorización y diagnóstico de pacientesy otro el de la instrumentación cuyo objetivo era hasta hace bien poco, facilitar una visión mas
anatómica de éste
–la llamada instrumentación para el diagnóstico por la imagenAmbos dos subgrupos, ejemplos de los cuales, se dan ahora a continuación serán el objeto de nuestra atención, a lo
largo de todo este programa expositivo de “LA INGENIERIA AL CUIDADO DE LA SALUD ó una introducción a la
Bioingeniería”.

21. Instrumentación biomédica clínica (I)
Diagnóstico y Monitorización
• Electrocardiógrafos
•
•
•
•
•
•
Sistemas de cateterismo (Polígrafos)
Cardiotocógrafos
Espirómetros
Monitores (presión, temperatura,…)
Centrales de alerta y vigilancia
Etc.

22. Instrumentación biomédica clínica (II)
Terapia y Estimulación
• Radioterapia
•
•
•
•
•
•
Onda Corta
Láser
Ventiladores / Respiradores
Desfibriladores manuales y automáticos
Marcapasos externos e internos
Etc.

23. Instrumentación biomédica clínica (III)
Equipos Quirúrgicos
•
•
•
•
Electrobisturí
Máquina de Anestesia
Mesa Quirúrgica
Etc.
Varios
•
•
•
•
Litotricia
Circulación extracorpórea
Máquina de hemodiálisis
Autoanalizadores/Equipos de clínica
analítica (Lab.)
• Informática Sanitaria

24. Instrumentación biomédica clínica (IV)
Diagnóstico por Imagen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rayos X de diagnóstico
Fluoroscopia
Angiografía
TAC
Equipos de Medicina Nuclear
Gammacamara, PET, SPECT
Ecografía
RNM
Endoscopia
Colonoscopia
Termografía
Etc.

25. Las medidas biomédicas (I)
Las medidas en las que se emplea instrumentación biomédica se pueden dividir también en dos grupos:
“In-vivo”. Son aquellas realizadas sobre o dentro del organismo vivo. Un ejemplo que nos va a servir bien para
contrastarlo con el otro grupo, podría ser un dispositivo insertado en la corriente sanguínea para medir los gases (pO2,
pCO2 y pH) de la sangre directamente: los sensores del TrendCare

26. Las medidas biomédicas (II)
“In-vitro”. Son aquellas otras que se realizan fuera del
organismo aun cuando estén relacionadas con su
funcionamiento. El ejemplo sería la medida de esos mismos
gases de una muestra sanguínea extraida de un paciente:
los cartuchos del sistema IRMA, que también
pueden medir los electrólitos de la sangre (Na, K, Ca...) y
calcular otros parámetros bioquímicos humanos tales como
la hemoglobina total (Hb), el hematocrito (Hct), el bicarbonato
(CO3H), el dióxido de carbono total (TCO2), la saturación de
oxígeno (sO2), el exceso de bases (BE), etc.

27. EPO
Eritropoyetina
< Fuente: Gráfico explicativo de salud de EL MUNDO >

28. Sistema global hombre-instrumento
Dado que es el individuo quién hace a este sistema distinto a los otros sistemas de instrumentación, habrá que
prestarle atención a los sistemas fisiólogicos que constituyen su organismo.

29. Sistemas fisiológicos del organismo humano
El ser humano como un todo (el nível de
organización más alto) se comunica con
su entorno de muchas formas, según ya
hemos visto. En la jerarquía de organización
lo que sigue al conjunto del ser son los
sistemas funcionales principales que,
a su semejanza se comunican unos con
otros así como con el medio externo y que
se pueden desglosar en subsistemas
y órganos que a su vez se pueden subdividir
en unidades cada vez más pequeñas.
El proceso puede continuar hasta el
nível celular e incluso hasta el
nível molecular.
La meta principal de la instrumentación
biomédica es hacer posible la medida
de la información comunicada por todos
estos diversos elementos.

31. Principales sistemas fisiológicos humanos
A continuación se da una breve descripción, orientada desde el punto de vista de la ingeniería, de algunos de
los principales sistemas fisiológicos del cuerpo, que nos servirá de apoyatura para los desarrollos que
haremos mas adelante:
El sistema cardiovascular. Desde la
contemplar como un sistema hidráulico
(corazón) conectada a unos tubos
sanguíneos).
perspectiva de un ingeniero se puede
complejo y cerrado con una bomba
flexibles y a veces elásticos (vasos
El sistema respiratorio. Sistema
(diafragma) que produce la succión y
(pulmones) situadas dentro de una
bolsas están conectadas al medio
en un punto, con el de combustible.
neumático con una bomba de aire
expulsión de aire de dos bolsas elásticas
cámara hermética (cavidad torácica). Las
externo a través de un conducto común
El sistema nervioso. Es la red de
una CPU autoadaptativa (cerebro) con
decisión-actuación y una miríada de
comunicación del organismo. Su centro es
memoria, potencia de cálculo, capacidad de
canales de E/S.
El sistema digestivo (bioquímico).
factoría química cuyas operaciones son
único punto de entrada de combustible
del cuerpo todos los materiales para el
actividad del cuerpo, las sustancias
Eficientísima y altamente diversificada
autosostenidas por cuanto a partir de un
(alimento), agua y aire, se producen dentro
crecimiento y la reparación, la energía para la
mensajeras para la comunicación, etc.

32. BIBLIOGRAFÍA
UTILIZADA Y RECOMENDADA
(EN CASTELLANO)
 Ingeniería biomédica por H.S. Wolf. Biblioteca para el
Hombre Actual. Ediciones Guadarrama
 Ingeniería humana por John Lenihan. Alianza Editorial
 Introducción a la bioingeniería, coordinada por José
bioingeniería
Mompín Poblet. Serie Mundo Electrónico. Editorial
Marcombo
 Instrumentación y medidas biomédicas por Leslie
Cromwel y otros. Editorial Marcombo
 El organismo humano por David F. Horrobin.
Editorial Bruguera

33. RECURSOS
UTILIZADOS y RECOMENDADOS
 Documentación PHILIPS
http://www.medical.philips.com/es_es
 Documentación EL MUNDO
http://www.elmundo.es/graficos/multimedia/salud_hist.html
http://www.elmundo.es/elmundosalud/especiales/2008/01/anatomia_corazon
 Otros
Revistas, folletos, internet, sitios comerciales, etc.
 Otros sitios de interés
http://www.seib.org ………….……..…………...... Sociedad Española de Ingeniería Biomédica
http://www.seeic.org ………...… Sociedad Española de Electromedicina e Ingeniería Clínica
http://www.fenin.com ……..….… Federación Española de Empresas de Tecnología Sanitaria
http://www.gehealthcare.com/eses/sitemap.html .................. Empresa GE Healthcare
http://w1.siemens.com/entry/es/es ………………….…..……… Empresa SIEMENS Medical