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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN “ANÁLISIS TERMODINÁMICO Y DESARROLLO DE UN CRIOTERAPLICADOR” T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN LA INGENIERÍA MECÁNICA PRESENTA ING. CARLOS JAVIER NAJERA IBARRA DIRECTRO DE TESIS: DR. FLORENCIO SÁNCHEZ SILVA México D. F. Octubre, 2003 DEDICATORIA La energía que ha mantenido constante el vapor en el interior de las calderas que han impulsado el enorme barco que transporta mis anhelos, se debe a la fe que Dios me ha dado y el amor que me han brindado mi madre, mi padre, mi esposa e hijos, y mis hermanas, es por eso que les dedico con sincero afecto este humilde trabajo. Así mismo aprovecho este espacio para hacer un reconocimiento especial a mi esposa por su gran apoyo. También para decirle a mis pequeños y adorados hijos: Javier y Sandrita, que intenten incansablemente salir adelante, logrando siempre sus buenos proyectos. AGRADECIMIENTOS A mi compadre y amigo: Dr. Luis Beltrán Dávalos, por el apoyo técnico de sus conocimientos en la rama de la medicina. A mi director de tesis: Dr. Florencio Sánchez Silva, por su apoyo invaluable para el desarrollo del presente trabajo. Al M. en C. Guillibaldo Tolentino Eslava, por su gran ayuda en la obtención de la valiosa información relacionada con la presente investigación. A mi amigo Dr. Javier Gutiérrez Ávila, por sus consejos e impulso para la culminación de este trabajo de tesis. A las autoridades del Centro Regional de Cancerología del Estado de Guerrero, por su apoyo en el conocimiento de los tratamientos crió quirúrgicos aportados. A los mis profesores del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME del IPN: Dr. Florencio Sánchez S., Dr. Pedro Quinto D., M. en C. Guillibaldo Tolentino E., Dr. Victor Zurita U., Dr. Miguel Toledo V. Por haberme transmitido profesionalmente sus conocimiento, venciendo obstáculos y problemas para cumplir con el convenio con el Instituto Tecnológico de Acapulco. Al M. en C. Serafín Aguado Gutiérrez: director ejecutivo del CoSNET, por su apoyo para la asignación de Beca Económica a su servidor INDICE CONTENIDO Página NOMENCLATURA i RESUMEN iv ABSTRACT v INTRODUCCIÓN vi I.- GENERALIDADES . 1 1.1.- Equipos de criocirugía 2 1.1.1 Diseño común. 3 1.1.2 Principio de funcionamiento. 6 1.1.3 Ventajas y Aplicaciones más comunes. 8 1.2.- Criocirugía del cáncer cérvico uterino. 9 1.2.1 Antecedentes de la Criocirugía del (CACU). 9 1.2.2 Bases físicas y efectos en los tejidos. 10 1.3.- Criocirugía de la retina ocular. 12 1.3.1 Métodos para crear una Adherencia Coriorretiniana. 14 1.3.2 Efectos sobre los tejidos. 15 1.4.- Criocirugía de cáncer de la piel humana 16 1.5.- Problemas que aún no se detectan. 18 II.- METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO. 23 2.1.-Calor generado. 24 2.1.1 Primera ley termodinámica 24 2.1.2 Segunda ley Termodinámica 25 2.1.3 Energía obtenida de los alimentos 28 2.1.4 Energía utilizable. 34 2.2.- Conductividad térmica. 41 2.3.- Calor estabilizado. 43 2.4.- Pérdidas térmicas. 44 2.4.1 Calor disipado por conducción. 49 2.4.2 Calor disipado por convección y radiación. 50 2.4.3 Carga térmica total. 55 III.-CARATERISTICAS TERMODINAMICAS DE LOS GASES EMPLEADOS EN CRIOCIRUGIA. 63 3.1.- Oxido nitroso. 64 3.2.- Bióxido de carbono CO2. 69 3.3.- Freón 404a (azeotrópico). 71 3.4.- Efecto Refrig. en función de la masa evaporada de gas. 73 IV.- DISEÑO DEL TERAPLICADOR. 77 4.1.-Carga térmica del teraplicador. 78 4.1.1 Conexiones en la tubería de la línea de líquido. 80 4.1.2 Calc..de los diám. de la tub. de ent. con flujo líquido. 81 4.1.3 Conducto general del fluido líquido. 82 4.1.4 Diseño del tubo capilar del teraplicador. 83 4.2.- Cálculo de los diámetros de la salida de gases. 88 4.2.1 Conexiones de la tubería de expulsión de gases. 88 4.2.2 Conducto general de la salida de los gases 91 4.2.3 Calc. de los diám. de ret. de gases en el teraplicador. 91 V.- ANÁLISIS NUM. DE TIEMPO DE CONTACTO EN LA SONDA. 101 5.1- Modelo matemático. 102 5.2-Algoritmo del cálculo basado en un esquema de diferencias 104 finitas. 5.2.1 Representación de la ecuación diferencial en diferencias 104 finitas. 5.2.2 Nodos en la frontera 108 5.2.3 Efectos de la capacidad calorífica. 108 5.3.- Obtención de las ecuaciones lineales de diferencias 112 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. REFERENCIAS. ANEXO I ANEXO II NOMENCLATURA Parámetros Nombre Unidades A Superficie, área m2 C Relación de pérdida de calor W/m2 CP Calor específico a presión constante J/kg K CV Calor específico a volumen constante J/kg K CO2 Bióxido de Carbono S/u E Energía J e Eficiencia % G Energía libre de Gibbs J g Fuerza de gravedad, subíndice m/s2 h Altura mt H Entalpía J/kg I Energía interna J/kg l Altura de la persona metros K Energía cinética J K Conductividad térmica W/m K m masa kg • m Relación de aire respirado, masa de refrigerante Kg/s O2 Oxígeno S/u OC Monóxido de Carbono S/u P Potencia W p Presión Pa y Bar Q Calor ó calor disipado J q Calor cedido J/s R Velocidad de flujo de calor, Rapidez metabólica J/s S Entropía, relación de almacenamiento de calor J/kg T Temperatura oC y K t Tiempo segundos U Energía Potencial J v Velocidad mt /seg. W Trabajo N.m SUBINDICES AB puntos de referencia en dirección de A hacia B biol de procedencia biológica c cinética cerb cerebro corzn corazón cr en el interior del centro de la sección D subíndice que relaciona la superficie externa del cuerpo i calculada por la ecuación de DuBois E medio f líquido g gas musc-esquel sistema músculo esquelético org- abdomen órganos abdominales otros otros órganos p potencial piel piel humana res relaciona la convección en la respiración riñn riñón s,o sistema sat gas saturado sk en el interior del compartimiento de la piel UTILIDAD MEDICA VPH Virus del Papiloma Humano CACU Cáncer Cérvico Uterino LETRAS GRIEGAS ∆ Diferencial, Variación ∂ Derivada parcial θ Tiempo, s µπ coeficiente Joule-Thompson. α Fracción de la masa del cuerpo concentrada en el compartimiento de la piel, Emisividad ∑ Sumatoria PARÁMETROS NO SEPARAMETROS DE LOS SUBÍNDICES he Coeficiente de transferencia de calor por evaporación W/(m2.kPa) hr Coeficiente de transferencia radiante de calor W/ (m2. K) Kres Constante de proporcionalidad (2.58kg.m2/mJ) M Relación del metabolismo W/m2 pa Presión del vapor de agua del aire ambiente kPa ii psk,s Presión de vapor de agua en la piel, normalmente se asume el valor del vapor de agua saturada a la temperatura de la piel tsk kPa Re,cl Resistencia de transferencia de calor por evaporación de capa de piel vestida, (m2. kPa) / W Ta Temperatura del aire ambiente KrT − Temperatura media radiante K iii RESUMEN Se diseñó un equipo de CRIOCIRUGIA, denominado CRIOTERAPLICADOR. A partir del análisis de la transferencia del calor generado en el cuerpo humano, analizándose el consumo de energéticos alimenticios y la liberación de energía de los mismos, de acuerdo a una determinada actividad haciéndose posible conocer el calor total disipado por unidad de superficie de la piel humana. La base del estudio es la primera y segunda ley de la termodinámica, aplicadas al análisis de los intercambios de energía, estableciéndose un balance energético del cuerpo humano. Con el fin de proponer una variante y lograr un mejor desarrollo de la presente investigación se utilizaron 3 gases refrigerantes: CO2, NO2 y el refrigerante 404ª (Zeotrópico). Los dos primeros son ampliamente aplicados en criocirugía y el tercero se propuso para analizar su comportamiento. Para determinar el flujo másico de los refrigerantes se aplicó el principio del efecto Joule – Thomson, y se calculó el diámetro de los conductos, utilizando el principio de Bernoullí, con esto se obtuvo un diseño preliminar que se estudió a más detalle por medio de un análisis de transferencia de calor por diferencias finitas. Los resultados obtenidos fueron: Primero; la obtención de los valores de los diámetros de cada una de las partes que componen y conducen el refrigerante dentro del equipo de criocirugía, y por lo mismo un de diseño. Segundo; los valores en tablas y gráficas de temperatura en función el tiempo de aplicación del crioteraplicador sobre los tejidos de piel humana. iv ABSTRAC This thesis work is about the design of a CRYOSURGERY device, denominated CRIOTERAPLICADOR. The device design was based on the heat transfer analysis of the heat generated in the human body due to the consumption of nutrients and the liberation of energy due to the human activities. Taking into account the sources and heat dissipations, it is possible to know the total heat vanished by the surface unit in the human skin. The base of the study was the first and second law of the thermodynamics, applied to the analysis of the energy exchanges, settling down as energy balance on the human body. In the study three well-known coolant gases were used; CO2 and NO2 which are already used in cryosurgery, and we also decided to use the coolant 404ª (Zeotropic), just to determine the coolant flow mass flow by applying the principle of the Joule - Thomson effect. The geometry dimensions were determined using the Bernoulli equation and for understanding the criopobe performance, a numerical model for the heat transfer analysis was developed. The results agree very good with the ones obtained in the surgery practice. v INTRODUCCION Desde el siglo pasado se llevaron acabo los primeros intentos de la utilización del frío con fines terapéuticos; en el año de 1866 se utilizó éter nebulizado con fines analgésicos y en 1881 el cloruro de etilo se aplicó con los mismos fines, pero hasta 1962 Watzner y Bobrow diseñaron un sistema que marcó una verdadera revolución en el ámbito de la criocirugía. Cabe mencionar que las primeras experiencias con este procedimiento fueron solo hallazgos y que posteriormente fue necesaria su comprobación terapéutica [2]. Actualmente se están haciendo en los Hospitales Regionales de Cancerología del Sector Salud, aplicaciones de tratamientos en los procesos primarios de cáncer de cuello uterino, así como del cáncer de piel, utilizando técnicas altamente efectivas de crioterapia. Debido a la información anterior, se puede deducir la relevancia que tiene la aplicación de terapias específicas para el tratamiento de todas las manifestaciones del cáncer así como el cérvico uterino. Este trabajo de tesis, es un soporte de validez tecnológica para el perfeccionamiento de las técnicas empleadas en el tratamiento del cáncer por métodos criogénicos. El estudio de este equipo de criocirugía, pretende que en un futuro además bajar los costos de tratamiento, reducir la importación de los equipos que en nuestro país actualmente son utilizados en los programas médicos como son: criocirugía oftálmica, criocirugía de la piel en verrugas benignas y malignas y finalmente para la cura del cáncer de piel y cérvico uterino a nivel local. El problema fundamentalmente era cómo controlar el flujo de refrigerante y sobre todo tener una idea clara del acoplamiento de un equipo de criocirugía en la piel, mucosa o membrana humana, ya que inicialmente se aplicaba sin ningún conocimiento claro, lo cual no garantizaba su éxito en las distintas aplicaciones de vi vii la criocirugía. Aunque estos aparatos ya existen, la capacitación médica requiere de un conocimiento cabal de la técnica, lo cual requiere un conocimiento termodinámico que permita cuantificar los tiempos de aplicación y la masa de tejidos afectada por el proceso de la criocirugía. Para lograr lo anterior el trabajo se estructuró de la siguiente manera: En el capítulo I se explica la forma física de los equipos existentes, su funcionamiento, el campo de aplicación y sus alcances; En el capítulo II se analiza termodinámicamente el calor disipado por el cuerpo humano vivo, así como los requerimientos energéticos (combustibles) en función de la actividad física desarrollada. En el capítulo III se observaron las propiedades termodinámicas de los gases, proponiéndose una fórmula general para el cálculo de la masa necesaria del refrigerante a partir del calor disipado del cuerpo humano, considerando una porción de masa de tejidos en el tiempo cero para su congelamiento, es decir en condiciones de máxima carga térmica, dentro del margen considerado para el tratamiento por el método de criocirugía. En el capítulo IV se obtuvo un diseño generalizado de los diámetros de los ductos, para cada estado del refrigerante durante el proceso de criocirugía, proponiéndose un diseño completo en cada una de sus partes. En el capítulo V se presenta un análisis de transferencia de calor, observándose el comportamiento térmico a través de un modelo matemático por el método de diferencias finitas, obteniendo gráficas temperatura contra tiempo de congelamiento y distribución de temperatura al contacto del equipo con los tejidos. CAPITULO I GENERALIDADES CAPITULO 1 GENERALIDADES DE LOS EQUIPOS USADOS EN CRIOCIRUGÍA Actualmente la criocirugía ha alcanzado un nivel relevante en la medicina, ya que su aplicación, facilita en gran medida una cura más segura y menos agresiva de enfermedades donde los demás métodos quirúrgicos no logran los efectos esperados, la aplicación de la criocirugía evita el uso de anestésicos, así como un proceso prolongado de recuperación por medio de la hospitalización del enfermo. Pero el alto costo de los equipos de criocirugía (importados), y su aplicación, ensombrece la expectativa de la población que espera una posible cura con esta tecnología. Es por eso que esta investigación desea abrir una nueva perspectiva para la medicina y la población mexicana. Aunque este trabajo está relacionado netamente con la ingeniería mecánica (esto demuestra que la ingeniería mecánica es de gran apoyo para la ciencia médica), pretende abrir una línea de investigación que se pueda enriquecer a la par con la medicina. ____________________________________________________________________1 CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 Equipos de Criocirugía. Los equipos de criocirugía, son dispositivos que se utilizan para destruir el tejido humano a base de un contacto directo a través de medios mecánicos que alcanzan temperaturas del orden de 233 K (-400C). Watzner y Bobrow en 1962 diseñaron un sistema que marcó una verdadera revolución en el ámbito de la criocirugía. En sus trabajos de investigación utilizaron un prototipo, que a pesar de tener un relativo corto desarrollo tecnológico (debido a las limitaciones tecnológicas existentes hasta el momento), ya tenía las características comunes a los que actualmente se han utilizado. Estos equipos tienen diferentes diseños y formas:; a) los de sonda o críopobo grueso (punta de aplicación), son del orden de 2.0 centímetros de diámetro, tienen forma de pistola con gatillo integrado de aplicación, comúnmente se utilizan en la cura del cáncer de piel y del cáncer cérvico uterino figura 1.1. b) los de sonda o críopobo delgado, son del orden de 0.5 centímetros de diámetro, constan de un maneral con punta alargada y delgada, y son accionados por medio de un pedal, comúnmente se utilizan en cirugía retinocular (parte interna del globo ocular), así como cura del cáncer de la próstata (glándula seminal masculina) figura 1.2. En los diseños anteriores cabe mencionar que la posición del mecanismo de accionamiento, va en relación al grado de inmovilidad que se desee tener al momento de hacer contacto con el críopobo y el órgano o mucosa del humano. También en algunos diseños se tiene en el interior del críopobo un ducto de aire caliente, con el fin de separarlo rápidamente de la zona de aplicación después del congelamiento. ____________________________________________________________________ 2 CAPITULO I GENERALIDADES 1.1.1 Diseño común. El diseño contiene un maneral tipo pistola dividido en cinco partes principales: Dos tubos en uno, el primero concéntrico de alimentación y el segundo de desalojo del gas refrigerante (1), también tiene un maneral o soporte principal (2), un control de flujo (3), un tubo capilar (4), y un críopobo o punta de aplicación (5), como se observa en la figura 1.1, el cual es similar al utilizado en el Hospital regional de Cancerología del estado de Guerrero. Este diseño tiene un dispositivo de alta seguridad para su manejo y aplicación, en este caso la punta (oro, plata, platino) del críopobo es de mayor tamaño, comparándose con los criópobos utilizados en criocirugía ocular, pero en el caso de la figura1.1, críopobo de punta ancha, se ha considerado en su diseño las necesidades ergonométricas para la aplicación en la criocirugía o crioterapia del cáncer uterino. Figura 1.1 Crioteraplicador de punta gruesa [1] Observando la figura 1.1 se muestra el detalle de los componentes del críopobo, en el diseño se aprecia la manera cómo debe ensamblarse la punta sobre el tubo ____________________________________________________________________ 3 CAPITULO I GENERALIDADES capilar, para formar el juego completo del críopobo, esto quiere decir que el capilar debe estar permanentemente fijo al cuerpo del maneral soporte (2), y que la otra parte la punta del críopobo, a la cual debe estar unida el ducto adiabáticamente aislado. A continuación se muestra un diseño de críopobo punta delgada utilizado específicamente en criocirugía oftálmica (figura1.3) [3]. En este caso el movimiento debe ser eliminado cuando se esta realizando la criocirugía ocular, por esta razón el equipo cuenta con un mecanismo de pedal para permitir el paso de refrigerante, liberando cualquier esfuerzo manual. El enfriamiento se inicia accionando el interruptor de pedal y al soltar el pedal se inicia automáticamente el calentamiento, para desprender la punta. Se compone de criópobos de punta delgada; el recto, el ligeramente inclinado y el inclinado, para facilitar el requerimiento de la criocirugía ocular. Panel para la observación de presiones y temperatura del críopobo Pedal de paso de refrigerante y aire caliente figura 1.2 Equipo de criocirugía oftálmica ____________________________________________________________________ 4 CAPITULO I GENERALIDADES En este tipo de aplicación como se comento en el inciso anterior, es necesario una descongelación más rápida para impedir una sobre congelación aledaña a los tejidos de la retina, es por eso que en la figura 1.3 se observa que por el mismo ducto se inyecta aire caliente controlado por un balín con resorte como se ve en la figura 1.3A, la cual se acomoda hasta el fondo de la punta cuando penetra el refrigerante líquido. Al conservar dicha posición, solo deja pasar una pequeña cantidad de refrigerante en estado líquido a la cámara de expansión, permitiendo la evaporación de acuerdo a la relación∆ µπ∆pT = , donde µ es el coeficiente Joule-Thompson. π Alta presión con refrigerante líquido 5.099 mPa Efecto Joule-Thompson Balín móvil con resorte cu en se or __ Bala móvil con resorte Efecto de descongelamiento Figura1.3 Corte interno del Críopobo del maneral utilizado en criocirugía ocular ando se cambia el refrigerante por el aire caliente como fluido de descongelación, tonces el balín regresa a una posición como se observa en la figura 1.3B donde incrementa el área de paso del fluido, ya que la presión de aire caliente es del den de 620.5 kPa ( 6.205 bars). __________________________________________________________________ 5 CAPITULO I GENERALIDADES 1.1.2 Principio de funcionamiento. Para la explicación del funcionamiento del equipo de criocirugía, se presentan la figuras 1.4 y 1.5, las cuales servirán para la descripción de operación y uniones mecánicas de todo el equipo de criocirugía con sus accesorios, partiendo desde que inicia el movimiento del gas refrigerante al salir de su recipiente de almacenamiento en estado líquido,hasta el término del recorrido final del refrigerante expulsado a la atmósfera. Salida a la atmósfera de refrigerante en estado gaseoso Tubería interna de refrigerante líquido Tubería de doble flujo 2 3 Recipiente 1 Figura 1.4 C Como se observa en la figura alimentado del refrigerante en es para su transporte (1). En prim salida de los recipientes de alm estado líquido se introduce en e en estado líquido pase al cond conjunto de mangueras (4). El ref la energía potencial debido a la fluido todavía en estado líquido interior de la punta por el metal d acción el refrigerante se evapo _____________________________ Caja separadora de flujos 5 Válvula del recipiente Críocauterizador 4 Tubería de doble flujo Conexión general del equipo de riocirugía y sus accesorios 1.4, el proceso se inicia cuando el equipo es tado líquido, almacenado en recipientes utilizados er lugar se deberá operar el control de flujo a la acenamiento (2), En seguida el refrigerante en l críocauterizador, permitiendo que el refrigerante ucto interno de diámetro pequeño contenido en el rigerante utilizado se transportara por la acción de presión reinante en el recipiente, logrando que el , llegue a la cámara de expansión formada en el el críopobo (parte 5 de la misma figura). Con esta ra a la presión atmosférica absorbiendo energía _______________________________________ 6 CAPITULO I GENERALIDADES (calor) del medio ambiente, mediante un proceso termodinámico isentrópico y adiabático, debido a que a lo largo del críopobo existe un aislamiento. Finalmente como el críopobo va colocado sobre la rosca que sostiene al tubo capilar y esta a su vez tiene orificios intermedios, este arreglo permite el regreso del refrigerante evaporado en la punta metálica. El gas evaporado se regresa impulsado por la misma energía almacenada en los recipientes por el ducto adiabático, después de atravesar los orificios concéntricos pasa al tubo de mayor diámetro (porte 4 figura1.4), el cual conducirá el gas refrigerante hacia la atmósfera. A continuación se muestra la figura 1.5, que consiste en un diagrama de flujo que representa lo anteriormente expuesto en forma sintetizada, el cual podría utilizarse como un manual de operación sencilla del propio equipo . Tanques de almacenamiento(1), de refrigerante en estado líquido (CO2, NO2, Refrigerante 404-a ). Salida de refrigerante en estado gaseoso a la atmósfera(3) (exp. Isobárica) Fig _______________ Control de flujo Control de flujo a la salida del recipiente y sepa- rador de gases a diferente estado físico(2). Ductos de alimentación y retorno(4) Paso de Refrigerante líquido al Tubo capilar y expansión en la punta de metal(5),del críopobo (expansión isentálpica- adiabática ) Control de flujo en el maneral del críopobo(6) ura 1. 5 Diagrama de flujo de operación del criócauterizador _____________________________________________________ 7 CAPITULO I GENERALIDADES 1.1.3 Ventajas y Aplicaciones mas comunes. El aparato de criocirugía ofrece las siguientes ventajas [1] : A) El enfriamiento puede hacerse de modo ambulatorio(sin hospitalización) y sin anestesia, pendiente de intervención en caso necesario. B) Tratamiento y desprendimiento del tejido necrotizado(muerto) sin hemorragias C) Cura sin cicatriz A continuación se muestra la tabla 1.1, con la descripción de los usos más comunes donde aplica la criocirugía Tabla 1.1 especialidades y aplicaciones médicas de la Criocirugía Especialidad de la criocirugía Lugar de aplicación I) Cirugía en vasos sanguíneos Varices de extremidades bajas II) Cirugía de tórax estreches bronquial III) Ginecología (parte de la medicina que estudia las enfermedades de los óranos genitales femeninos) Ectopía (posición anormal) de la portio vaginalis (parte de la vagina), condiloma (tumor pequeño situado en los márgenes del ano) IV) Proctología (estudio de las enfermedades del recto y del ano) Hemorroides (várices ó crecimiento abultado de las venas en los márgenes del ano) internas de 1¼ y 2¼ grado de fisura anal V) Otorrinolaringología (estudio de las enfermedades de la garganta, oído y nasofaringe) hemangiomas(tumor pequeño en la piel, que forma una pequeña mancha punteada de color rojo vivo ó violáceo), papilomas(tumor pequeño que se desarrolla a expensas de las papilas de la piel o de las mucosas. VI) Dermatología (parte de la medicina que trata las enfermedades de la piel) Verrugas (pequeño tumor cutáneo de forma redonda que se localiza en la superficie dorsal de los dedos de la mano y muñeca), condilomas VII) Oncología (estudio de los tumores ó abultamientos anormales de los órganos, determinado por un crecimiento enfermo de tejidos) En la cura de cáncer de cuello uterino (la parte más angosta útero femenino) VIII) Oftalmología (estudio de las enfermedades de los ojos) Soldador de lesiones de retina y cicatrización de los cortes en cirugía ocular. ____________________________________________________________________ 8 CAPITULO I GENERALIDADES 1.2 Criocirugía del cáncer cérvico uterino (CACU): El cáncer cérvico uterino es un proceso destructivo de los tejidos. Las causas del desarrollo de este mal varían desde; el tabaquismo, el virus del herpes, la disminución de la respuesta inmunológica, la deficiencia nutricional, el uso de anticonceptivos hormonales, y finalmente el que representa el factor de riesgo mas grave, el virus del papiloma humano (VPH). Sí analizamos la incidencia de cáncer en México [1,4,5,6], actualmente existe en nuestro país una estadística angustiante (50 casos por cada 100,000 habitantes al año), la cual es de las más elevadas en todo el mundo. En los Hospitales Regionales de Cancerología del Sector Salud, se aplican tratamientos en los procesos primarios de cáncer de cuello uterino utilizando técnicas de crioterapia. De los datos anteriores se puede deducir la relevancia que tiene la aplicación de terapias específicas para el tratamiento del cáncer cérvico uterino, por lo tanto, es un soporte de gran valía para el desarrollo tecnológico, el estudio relacionado de un equipo de “crioteraplicación” o criocirugía, en los programas médicos para la cura del CACU al nivel local. 1.2.1 Antecedentes de la Criocirugía del CACU. A partir de 1930 Openchowski utilizó una solución salina helada con la finalidad de detener actividad tumoral de los grandes procesos delaparato ginecológico bajo, después de lograr algunos resultados positivos, esto no se convirtió un proceso terapéutico (curativo) definitivo. may (1942) utilizó la cánula (tubo de orificio delgado) de freón para el tratamiento de los procesos inflamatorios del endocérvix (parte interna del útero). Cooper (1961) inició el manejo del nitrógeno líquido para el tratamiento de procesos neoplásicos tempranos con buenos resultados, pero con la desventaja de que el equipo era demasiado grande y su producción en serie no era costéable, por lo que no se continuo utilizando. Watzner y Bobrow (1962) iniciaron la utilización de tubos de hielo seco de bióxido ____________________________________________________________________ 9 CAPITULO I GENERALIDADES de carbono como tratamiento de las lesiones del canal endocervical, procedimiento muy semejante al que se utiliza en la actualidad. 1.2.3 Bases físicas y efectos en los tejidos. La criocirugía es la destrucción local de las capas superficiales del epitelio cervicouterino por medio de la aplicación de temperaturas inferiores al congelamiento, una temperatura de 233 K (-400C) o menor producirá necrosis tisular (muerte de tejidos aledaños). Los principales procesos de refrigeración para el críopobo son: 1. Cambio de fase, evaporación de un fluido refrigerante que es inyectado por un tubo en el interior del críopobo sin hacer contacto directo con la piel. 2. Expansión isotrópica en la punta del críopobo y adiabática en el trayecto de regreso y escape del gas, utilizándose metales como el oro y la plata o platino, siendo oro el de mayor conductividad térmica. Las transformaciones biológicas que se efectúa sin intercambio de calor con el exterior, hacen que el procedimiento más utilizado sea el de congelamiento, que consiste en aplicar la punta del críopobo en la superficie del tejido a tratar, produciéndose los mecanismos de acción que explican los cambios celulares, químicos, morfológicos y destructivos los cuales son: a) Deshidratación y concentración tóxica de electrolitos por la extracción de agua. b) Desnaturalización (cambio de medio biológico) de las moléculas líquidas- proteicas dentro de las membranas. c) Cristalización y ruptura de las membranas celulares. ____________________________________________________________________ 10 CAPITULO I GENERALIDADES d) Choque térmico. e) Éxtasis (inmovilización) vascular (bazos sanguíneos) . Según Ostergad, Sako y Pérez Tamayo, existen dos fases de permeabilidad vascular (posibilidad de dar paso en el interior de los vasos) que aparecen como respuesta de la agresión térmica: La primera es inmediata y rápida, dura 30 segundos y se manifiesta por vasoconstricción capilar (reducción de los capilares). La segunda es de aparición tardía, lenta y duradera y se caracteriza por la presencia de factores que activan la permeabilidad capilar, incluyendo cambios degenerativos en el epitelio (parte superior que cubre un órgano, tejido o mucosa). Por otro lado los gases utilizados en criocirugía deben tener un punto de ebullición dentro del rango de congelamiento de la piel, por ejemplo nitrógeno líquido, dióxido de carbono, freón 22 o 404 A aseotrópico y óxido nitroso como las temperaturas de congelación que se muestran en la tabla 1.2. Tabla 1.2 Temperaturas de congelación y presiones de almacenamiento de los gases a emplear en criocirugía Gas empleado Temperatura alcanzada Presión en cilindro Clasificación No Dióxido de carbono (CO2) 216 K 1.8mPa (18.35kg/cm2) Compuestos inorgánicos 774 Freón (CClF2H) 192 K 900kPa (9.17kg/cm2) Halocarburado 22 Oxido nitroso 184 K 5.099 mPa (52kg/cm2) Compuestos inorgánicos 744A Nitrógeno 84 K 3.39mPa (34.56 kg/cm2) Compuestos inorgánicos 728 Refrigerante 404 A 180 K 1.2 mPa (12.23kg/cm2) Gases Zeotrópicos Varios ____________________________________________________________________ 11 CAPITULO I GENERALIDADES Factores que intervienen para el éxito de la aplicación: • Tipo de criopobo: usándose con el metal que permita mayor facilidad en la aplicación sabiendo que el de mejor conductividad es el oro. • Características del cerviz, las pacientes con hipertrofias (malformaciones mayores) endocervicales y desgarros antiguos, requerirán de mayor tiempo para alcanzar la congelación deseada, sucediendo lo contrario con pacientes de mejores condiciones . • La masa de refrigerante, en el depósito cilíndrico debe garantizar el tiempo de aplicación hasta el término normal del tratamiento. • La temperatura de aplicación, debe ser del orden de 233 K (-400C) o más baja , por lo que también se debe tener una relación de tiempo de aplicación y suficiente masa de fluido refrigerante. • Área de seguridad, es la congelación que se produce alrededor del criopobo y se recomienda no sea menor de 5 milímetros por fuera de la lesión a tratar, independientemente del tiempo que se requiera para lograrlo . 1.3.- Criocirugía de la retina ocular. La retina es una parte esencial del ojo humano, su nombre se debe esencialmente a que en su interior, se lleva a cabo el proceso primario de la captación de las imágenes observadas. Su posición se localiza en la segunda capa de la parte interna del fondo del globo ocular (figura 1.3.1) y está formada por terminaciones pequeñas en forma de conos y bastoncillos los cuales son fotorreceptores nerviosos, cuya finalidad es convertir los rayos luminosos que entran al ojo ____________________________________________________________________ 12 CAPITULO I GENERALIDADES humano, en impulsos eléctricos que serán descifrados en el cerebro como imagen observada. Los conos captan y descifran en el cerebro los colores y los bastones solo el blanco y el negro, para formar en su conjunto las imágenes. Figura 1.3.1 Construcción del ojo humano. Por lo anteriormente expuesto no hace falta explicar que la lesión (ruptura) o degeneración de la retina nos conduce a una ceguera parcial o total, y estopuede suceder por las siguientes causas a: a) Golpes originados por acción violenta o deportes de alto impacto y o involuntarios b) Diabetes (incapacidad del aparato digestivo para la absorción de la glucosa). c) Albuminuria (cantidades elevadas de albúminas en el torrente sanguíneo), d) Sífilis (enfermedad venérea). Dentro de las causas más frecuentes están los golpes y la diabetes, sin embargo cualesquiera que fueran las causas de lesiones en la retina, se le tiene que restaurar a través de una cirugía, la cual se denomina cirugía de reimplantación de la retina, la cual consiste en tratar de poner la retina nuevamente en contacto con la pared del globo ocular, para propiciar una adherencia coriorretiniana (contener o mantener la retina) alrededor de todas las roturas retinianas [3]. ____________________________________________________________________ 13 CAPITULO I GENERALIDADES 1.3.1 Métodos para crear una Adherencia Coriorretiniana.: Dentro de los métodos existentes para la cura del desprendimiento de retina se han venido utilizando los siguientes métodos: A) LA CRIOCIRUGÍA (congelación a 253 K (–20 0C) de la parte a tratar). B) LA DIATERMIA (métodos eléctricos o de alta temperatura que permiten cambios en los tejidos). C) LA FOTOCOAGULACION (utilización de rayo láser sobre las partes afectadas). o a Epitelio pig Figura 1.3.2 Aplicación de la punta del críopobo sobre lesiones re La crioterapia para la formación de adherencias corio uno de los métodos utilizados durante la cirugía ________________________________________________ Punta del críopob Bola congelada de tejidos y humor acuoso Esclerótica mentado retin tinianas en el globo ocular rretinianas (figura 1.3.2), es de reimplantación retiniana ____________________ 14 CAPITULO I GENERALIDADES convencional, este método se aplica a través de la esclerótica en todo su espesor y apenas produce lesión escleral [3]. 1.3.2 Efectos sobre los tejidos La criocirugía actúa por la disolución de membranas celulares. Durante la congelación, forma cristales intracelulares de hielo, con lo que se produce una lesión mecánica (ver figura 1.3.3). Durante la descongelación el agua y los electrolitos se separan, produciendo un cambio del pH con ruptura de las membranas celulares (disolución). Figura 1.3.3 Formación de cristales de hielo en la cercanía del contacto del críopobo aplicándolo en una criocirugía ocular La fuerza de adherencia que la crioterapia produce entre la retina y el epitelio pigmentado es aproximadamente proporcional a la intensidad de aplicaciones como se manifiesta en la gráfica 1.3.4. Para la obtención de la gráfica, fue necesario observar que la intensidad de la reacción de congelación dependía de cuanto tiempo se hubiera aplicado el críopobo, de la baja temperatura que pudiera alcanzar y de la cantidad de presión que se ejercía sobre la esclerótica. Cuando el efecto de congelación se extiende solo a nivel de la membrana limitante externa, los fotorreceptores de los bastones se regeneran y se entremezclan con las vellosidades del epitelio pigmentado [3]. ____________________________________________________________________ 15 CAPITULO I GENERALIDADES 1.4.- Criocirugía de Cáncer de la piel humana. La piel humana es el órgano protector del cuerpo humano, de acuerdo a la ecuación de DuBois, tiene un área aproximada de dos metros cuadrados según la talla y el peso, esta compuesta por la dermis y la epidermis, una piel sana normalmente no produce molestias en el ser humano, una piel enferma, necesitará aun que parezca exageración una cura inmediata, tomando en cuenta que siendo nuestro escudo, sería la puerta de entrada de cualquier organismo destructor, en caso de no atender cualquier enfermedad en ella, como se comenta en los siguientes incisos, existen diferentes enfermedades de la piel, que van desde pequeñas lesiones, pequeñas verrugas, hasta problemas de origen cancerígenos. Así como se comenta que existen varios tipos de enfermedades también se conocen los diferentes tipos de tratamiento, aun que, se hará un comentario de los mismos, esta investigación solo abordará el tratamiento posible en las protuberancias de la piel así como el cáncer. Tomando Como referencia las figuras 1.3.5 y1.3.6 que aparecen en la parte baja, el Cáncer de Piel es más común de lo que se cree, es curable en etapas tempranas. El tipo más frecuente es el carcinoma baso celular, donde la exposición solar intensa y por largos periodos de tiempo es el detonador ____________________________________________________________________ 16 CAPITULO I GENERALIDADES de esta enfermedad, puede aparecer en las zonas siguientes: Pabellones auriculares, labios, nariz, cara, cuello (región posterior), brazos, tórax anterior, piernas y pies, ya que son los sitios más frecuentes de cáncer de piel [7,8]. Papiloma humano instalado a la entrada de la fosa nasal. Figura 1.3.5 Lugar donde la criocirugía podría tener una aplicación directa y efectiva, destruyendo el papiloma. Figura 1.3.6 Muestra de la forma de las lesiones cancerosas en la piel Hay tres tipos de cáncer de piel: El carcinoma basocelular, el carcinoma de células escamosas o espino celular, y el melanoma. 1.- Carcinoma Basocelular: Es de los tres, el tumor más común de los cáncer de piel encontrados en los caucásicos, siendo además el menos peligroso si se detecta en estadios tempranos. Comienza por una pequeña pápula o hundimiento de piel que sangra, provoca picazón y hace una costra que nunca cura, proceso que dura alrededor de 2 a 3 semanas. Luego, comienzan a elevarse los bordes de la úlcera tornándose rojos, rosados, y lo más frecuente, blanco perlados traslúcidos, ____________________________________________________________________17 CAPITULO I GENERALIDADES con vasos sanguíneos mínimos visibles. Este tipo de cáncer de piel no se disemina a otras partes del cuerpo, pero si no se trata, puede extenderse por debajo de la piel y llegar a hueso provocando daños serios e irreversibles. 2.- Carcinoma Espinocelular: Es el segundo tipo de cáncer de la piel más frecuente encontrado en caucásicos. Se presenta como una placa roja descamativa y/o ulcerada. Este tipo de cáncer alcanza grandes tamaños, y de no tratarse se disemina o da metástasis eventualmente. 3.- Melanoma Maligno: Es el menos común de los tres pero el más agresivo, tanto es así, que es causa de muerte de aproximadamente 5.000 personas cada año en los Estados Unidos. Puede aparecer de repente en cualquier parte de la piel, es decir, en zonas expuestas o no al sol. Los lunares son el origen de éstos, y pueden afectar a personas de piel clara o piel oscura, reconociéndose el rol hereditario como de suma importancia. Para el autoexamen de los pacientes se tiene la regla de ABCD que indica: Asimetría de la lesión, Bordes irregulares, color variado (marrón, negro, a veces sin color), y diámetro grande mayor de 6 mm. Existen diversas modalidades terapéuticas, entre ellas electrodesecación, Escisión quirúrgica, Criocirugía, Cirugía Micrográfica de Mohs, Quimioterapia tópica (ingestión de medicamentos) y Radioterapia (aplicación de rayos atómicos). 1.5.- Problemas que aun no se detectan. La congelación de células de cáncer es una opción para los pacientes con cáncer de próstata que no responden a la terapia de radiación, pueden beneficiarse de un procedimiento en el que las células del cáncer se congelan y se destruyen, según publicaron investigadores norteamericanos en la revista 'Urology' [8,9]. Los investigadores descubrieron que el 97 por ciento de estos pacientes con cáncer localizado en la glándula de la próstata, quedaron libres del cáncer dos años después de haberse sometido a este procedimiento, conocido como criocirugía. "La prueba ____________________________________________________________________ 18 CAPITULO I GENERALIDADES de que la congelación destruye las células del cáncer es indiscutible", según concluyeron los autores. Y añadieron que la "criocirugía” es una opción viable para el tratamiento de los pacientes que tienen una biopsia que prueba una anomalía local seguido de una terapia de radiación para el cáncer de próstata". Alrededor de 54.000 pacientes, o el 30 por ciento de los que se les diagnostica un cáncer de próstata cada año, se someten a una terapia de radiación como primera terapia. Sin embargo, el cáncer regresará en el 40 por ciento de los casos de estos pacientes, según el informe. Las opciones actuales de tratamiento para los pacientes con un cáncer de próstata que ha reaparecido incluyen la prostatectomía radical, una complicada intervención quirúrgica que puede llevar a la incontinencia o a la impotencia; y una terapia hormonal, que puede retrasar la progresión de la enfermedad pero no reduce el tamaño de los tumores. El estudio, realizado por el doctor Aaron Katz y sus colegas en el Columbia Presbyterian Medical Center en Nueva York, incluyó a 43 pacientes con cáncer de próstata, de un promedio de 69 años de edad, que se sometieron a una criocirugía porque la terapia de radiación no curó su enfermedad. Los pacientes recibieron una terapia hormonal durante 3 meses para reducir el tamaño de la glándula de la próstata y después se sometieron a una criocirugía. Cada tres meses, los investigadores realizaron pruebas para comprobar el estado del cáncer. A los 22 meses, el 97 por ciento de los pacientes se habían curado. Sólo el 9 por ciento de los pacientes mostraron incontinencia urinaria. Algunos pacientes mostraron leves dolores rectales o hinchazón después de la criocirugía, pero estos síntomas desaparecieron en tres meses. Katz y sus colegas señalaron que se esperan un refinamiento de la criocirugía para mejorar los resultados. ____________________________________________________________________ 19 CAPITULO I GENERALIDADES En School of Physioterapy, en la Universidad de Curtin y Sheton Park, Australia, se investigó y valoró los tratamientos a través de métodos fríos en los tratamientos médicos. Por otro lado se han estado haciendo en las universidades de oftalmología y dermatología más sobresalientes del mundo, estudios de investigación relacionados con los efectos colaterales que puede tener el uso de la criocirugía aplicada en piel, criocirugía ocular, contra con métodos alternativos existentes como son la, evaporación con rayo láser, coagulación por rayo láser. Un ejemplo muy importante son los trabajos que han desarrollado Matsuo T., Noso-Fujimoto M. y Matsuo N., del Departamento de Oftalmología de la Universidad Médica de Okayama en Japón. Estos trabajos mencionan los efectos adversos que pueden presentar la aplicación de la foto coagulación por arco de Xenón (láser) y Criocirugía en 28 pacientes con un total de 52 ojos con enfermedades de retinopatía prematura, para lo cual se anotaron resultados de la división de dos grupos, de los cuales finalmente se encontró un porcentaje de diferencia del 0.04 %, considerándose por tal motivo irrelevante la diferencia, traduciéndose en que las técnicas modernas, poseen hasta la fecha el mismo grado de efectividad. En conclusión hay momentos en los que no se puede distinguir un tratamiento específico, el cual nos pueda hacer tener la certeza en que será el mejor en algunos casos, anteriormente se tenía gran seguridad a la radioterapia, hoy existe la certeza que con criocirugía se puede mejorar la cura de cáncer en próstata, y es posible que el día de mañana se realicen nuevas investigaciones. Al parecer pudiera considerarse inútil la presente información para lograr los objetivos trazados para un análisis termodinámico y desarrollo de un equipo de criocirugía, sin embargo fue necesario que los conocimientos de la ingeniería mecánica, se apoyaran en esta información, como son los tamaños de lesiones, ____________________________________________________________________ 20 CAPITULO I GENERALIDADES ____________________________________________________________________21 tiempos posibles de aplicación, las formas y la profundidad de las lesiones, los gases que ya han sido utilizados. Lo anteriormente mencionado aportó los datos necesarios para iniciar con bases sólidas los objetivos que se establecieron en la introducción de la investigación, considerando que para el inicio del capítulo II fue necesario saber muy a fondo la mayoría de los datos aportados en el presente capítulo. Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO CAPITULOII METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO. Sí se desea hacer un análisis termodinámico de todo ser viviente como, sí se tratase de una máquina, es necesario, conocer la distribución de la energía, en la que se manifieste estar consumiéndola o rechazándola por las células humanas, para establecer un modelo matemático del equilibrio termodinámico, cuya finalidad sea, desglosar los diferentes tipos de energía, el trabajo realizado y las pérdidas de las mismas. Por esa razón se analiza los procesos termodinámicos involucrados, también las propiedades de las sustancias, para determinar el consumo de energía de los órganos internos del humano, todo esto con la finalidad, de que se establezca la cantidad de calor que se rechaza en las fronteras de la piel humana. En una combustión es necesario cierta cantidad de oxigeno, es por eso, que a partir de las cantidades de bióxido de carbono exhaladas por los seres vivientes (vertebrados), se conocerán las cantidades de oxigeno consumido, así mismo, se puede determinar el valor medio de energía liberada por cada 0.001 m3 ó litro de oxigeno consumido, la cantidad de energía total consumida por actividad realizada, y la cantidad de energéticos que deben consumirse en relación a la rapidez con la que son consumidos (quemados). Esto pudiera semejarse al suministro de carbón y oxigeno que irá suministrándose a la cámara de combustión de una caldera, para poder obtener el vapor que pudiera realizar un trabajo. En el interior del organismo viviente humano, los órganos, para ejecutar su labor (trabajo), también consumen energía que se obtiene del ciclo metabólico de Krebs, es decir, el intercambio constante en donde las células obtienen energía liberada del trifosfato de adenosina, a través de un intercambio de fósforo con los combustibles biológicos y el oxigeno, obteniendo energía capaz de realizar un trabajo, liberando CO2, difosfato de adenosina y agua, [11,12,13,14,15,16,17]. ____________________________________________________________________ 23 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 2.1 Calor generado. Es característico de los organismos vivos y de las máquinas el intercambio continuo de energía con su medio ambiente, durante el proceso de conversión de energía interna en trabajo. El rendimiento de este proceso viene limitado por la primera y la segunda ley de la termodinámica, las cuales son fundamentales para cualquier proceso de intercambio de energía. Calor y trabajo son dos de las formas como la energía es intercambiada entre un sistema y su medio ambiente. Todos los animales realizan trabajo y pierden calor en ese proceso. En el caso de los seres vivos, el trabajo se realiza al nadar, caminar, correr, etc., los reptiles al arrastrarse, los pájaros al volar, bombear sangre a través de los vasos sanguíneos de los seres vivientes y al eliminar fluido de la sangre por osmosis inversa, Por otro lado el calor se pierde a través de la piel y los pulmones por evaporación, conducción y radiación en los mismos. La conservación de la energía exige que toda esta energía se obtenga a expensas de la energía interna y por consiguiente, el animal trate de reponerla continuamente por medio del consumo de alimentos. Por lo anteriormente expuesto se iniciará este trabajo con el análisis de la primera ley de la termodinámica, para incorporar en forma paulatina, las leyes y conceptos que serán de suma importancia. 2.1.1 Primera ley termodinámica. Si se considera el cuerpo humano como un sistema, y la energía total del organismo EO será igual a la suma de energías cinéticas de los músculos y órganos del cuerpo (trabajo) Ec, menos el calor disipado a través de la piel Q . Ahora bien, la energía del “sistema” Εtotal del cuerpo varía solamente como consecuencia de la energía química Eq (energía interna), que entra en el sistema ____________________________________________________________________ 24 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO por medio de las calorías metabolizadas de los alimentos y se distribuyen y almacenan en algunos órganos o en las células del cuerpo humano en espera de la oxidación, para liberar energía que se manifestará en trabajo W realizado por el sistema con respecto a sus alrededores, y calor Q que se disipa al medio ambiente. Como sería el ejemplo de un corredor, que al operar sus músculos, provoca el levantamiento de sus miembros inferiores y superiores de manera alternada para avanzar rápidamente, produciéndose un trabajo sobre el medio ambiente (alrededores) y una liberación de energía en forma de calor, debido a que, en la combustión de la glucosa (monosacárido aprovechable como principal fuente de energía en los animales) en el interior de la mitocondria, de las células de los seres vivientes, se liberan los dos tipos de energía, una que impulsa los músculos a producir un movimiento (trabajo) y la otra que se degenera en forma de calor, por lo tanto la primera ley puede escribirse como: WQEsitema −=∆ 2.1 2.1.2 Segunda ley termodinámica La entropía S es una variable termodinámica que mide el desorden de un estado termodinámico. Esto quiere decir que en cada estado, una sustancia tiene una entropía definida y que la entropía de un estado es mayor que la entropía de otro, si el desorden del primer estado es mayor que el desorden del segundo. Por lo antes mencionado es conveniente escribir la segunda ley en una forma que contenga sólo variables del sistema. Para concretar se tiene una reacción química, tal como COOC 22 2 →+ ____________________________________________________________________ 25 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO La energía química del monóxido de carbono, CO, es menor que la del carbono y el oxígeno por separado: es decir, la variación de energía ∆Es en esta reacción es negativa. Por la primera ley WQES −=∆ donde W es el trabajo total realizado por el sistema y Q es el calor absorbido por el sistema. En este caso Q es negativo porque el sistema cede calor al medio. El medio absorbe el calor ( )WEQQ SE +∆−=−= de modo que, por definición el cambio de entropía del medio es ( ) T p ∆E T Q ∆S SEE V∆+− == considerando la segunda ley de la termodinámica, la ecuación anterior puede, escribirse de la siguiente manera ( ) S S E ∆ST ∆V p ∆E ∆S −≥ +− = Por otro lado la segunda ley de la termodinámica también se puede escribir como 0∆S T ∆V p∆E SS ≤−+ 2.2 Esta forma de la segunda ley solo tiene variables del sistema, debido a que a partir de esta última ecuación, solo se tratara con variables del sistema, desapareciendo el subíndice S. Por lo tanto a energía libre de Gibbs se escribe como TSpVEG −+= 2.3 y es otra variable termodinámica, que sólo depende del estado del sistema, manifestando la energía libre que se obtiene de las reacciones químicas a ____________________________________________________________________ 26 Capitulo IIMETABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO temperatura y presión constantes (isotérmica e isobárica). Es la energía libre de toda reacción bioquímica que pudiera suceder en organismos vivos: como el ser humano y o cualquier tipo de animal, células o ser viviente, manifestándose de la siguiente manera '''' TSpVEG −+= 2.4 Por lo tanto la relación de energía libre se escribe como: GGG −=∆ ' ( ) ( )TSpVETSpVE −+−−+= ''' ( ) ( ) ( )SSTVVpEE −−−+−= ''' STVpE ∆−∆+∆= 2.5 esta ecuación es idéntica al primer miembro de la ecuación 2.2. Por lo tanto, se comprueba que en las reacciones isotérmicas e isobáricas (en el interior de los seres vivos) , la energía libre jamás aumenta 0≤∆G Para poder relacionar la energía libre con la entalpía y entropía en una sola ecuación, a continuación se define entalpía H de la siguiente manera pVEH += 2.6 La variación de entalpía en una transformación isobárica es VpEH ∆+∆=∆ 2.7 por otro lado, de la primera ley de la termodinámica tenemos la siguiente ecuación , entonces WQE −=∆ ( ) 0WQVpWQH −=∆−−=∆ 2.8 donde es el trabajo, distinto del trabajo ( VpWW ∆−=0 ) Vp∆ , realizado por el sistema. De este modo cuando W , es nulo, la variación de entalpía es igual al 0 ____________________________________________________________________ 27 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO calor absorbido (o perdido si es negativo) por el sistema en una transformación isobárica. En algunas transformaciones entre dos estados, W es cero y el calor absorbido es igual a 0 H∆ . En otras transformaciones entre los mismos estados, W . no es cero y Q no es igual a 0 H∆ . El calor máximo absorbido es igual a T , el calor absorbido en una transformación isotérmica reversible (Ec. 2.5). Se absorbe menos calor si la transformación es irreversible, de aquí que en general ST∆≤ HQ ∆−= HG ∆= GO ∆−= G∆ H∆ S∆ Q Esta expresión, junto con la Ec. 2.8, nos da la desigualdad W HSTO ∆−∆≤ Pero de, las Ecs. 2.3 y 2.4 se tiene ST∆−∆ 2.9 y por tanto W En otras palabras, − es el trabajo máximo (otro que el ) que puede obtenerse de una transformación particular. Este podría ser el trabajo generado por una batería o por la contracción de un músculo animal ó humano. Vp∆ 2.1.3.- Energía obtenida de los alimentos. Los organismos vivos para poder obtener la energía potencial (química) que contienen los alimentos, utilizan una gran cantidad de reacciones bioquímicas, las cuales tienen lugar en las células del ser viviente. ____________________________________________________________________ 28 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO A la suma de estas reacciones internas, con la consecuente liberación ó almacenamiento de energía se le denomina: metabolismo intermediario, el metabolismo tiene dos fases llamadas: catabolismo y anabolismo. El primero es la fase degradativa del metabolismo, en la cual, las moléculas nutritivas complejas y relativamente grandes (glúcidos, lípidos y proteínas) que provienen del entorno biológico, o bien, de sus propios depósitos de reservas, se degradan para producir moléculas más sencillas. El catabolismo va acompañado de la liberación de energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas nutritivas, y a su conservación en forma de la molécula de trifosfato de adenosina (ATP), transferidora de energía. El anabolismo es la fase constructiva o biosintética del metabolismo, el cual da lugar a la biosíntesis de los componentes moleculares de las células, tales como ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos y lípidos a partir de precursores sencillos, valiéndose del consumo de energía química aportada por el ATP, que se generó durante el catabolismo, esto quiere decir que el catabolismo y el anabolismo se desarrollan simultáneamente. La energía libre que se obtiene de la glucosa es, de las más importantes en la vida humana, y como principal portadora de energía bioquímica, debe analizarse termodinámicamente, observando su oxidación y los productos de la combustión a baja temperatura como se explica en el siguiente caso: OHCOOOHC 2226126 666 +→+ La reacción, anterior es la fuente primaria de energía en los animales. Las variaciones de energía libre y de entalpía ∆Η producidas por la oxidación de un mol de glucosa son, para cualquier reacción ∆Η igual a la suma de los calores de ____________________________________________________________________ 29 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO formación de los productos menos la suma de los calores de formación de los reactivos: ∑ ∑∆Η−Η=∆Η fREACTIVOSfPRODUCTOS 2.10 así mismo para cualquier variación de energía libre ∆G0 tenemos ∑ ∑∆−=∆ OfREACTIVOSOfPRODUCTOSO GGG 2.11 Sí se analiza la reacción química del combustible humano OHCOOOHC 2226126 666 +→+ tomando los valores de energías libres de la siguiente tabla: Tabla 2.1. Energías libres estándar de formación en disoluciones acuosas en concentraciones de 1Mol con pH 7.0 y 250 C. Sustancia Kcal mol-1 Kj mol-1 Acetato- -88.99 -372.3 Cis- Aconitato3 - -220.51 -922.61 L- Alanina -88.75 -371.3 Ion amonio -19. 00 -79.50 L – aspartato -166.99 -698.69 Ion bicarbonato -140.33 -587.14 Dióxido de carbono (gas) -94.45 -395.2 Etanol -43.39 -181.6 Fumarato2- -144.41 -604.21 ∝-D-Glucosa -219.22 -917.21 Glicerina -116.76 -48.64 Ion hidrogeno -9.55 -39.96 Ion hidroxilo -37.60 -157.3 ∝-Oxoglutarato2- -190.62 -797.56 Lactato- -123.76 -517.81 L-Malato2- -201.98 -845.08 Oxacetato2- -190.53 -797.18 Piruvato- -113.44 -474.63 Se tiene lo siguiente: ____________________________________________________________________ 30 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO ∑ ∑∆− OfREACTIVOSOfPRODUCTOS GG = 6(-395.2 kJ/ mol )+ 6(-237.2 KJ/ mol) +917.21 = -2877.19 es decir ≅∆G -2870 kJ y -2820 kJ =∆Η La variación de entalpía, llamada también calor de combustión (que se obtiene en laboratorio usando un calorímetro), es en este caso igual a la variación de energía porque no hay cambio de volumen en esta reacción. El trabajo máximo que se puede obtener de esta reacción es 2870 kJ, el cual es mayor que la energía desprendida. Esto es debido a que la variación de entropía es positiva, y entonces, además de la energía desprendida por la reacción, se puede absorber energía del medio. E∆ =∆− G G∆ Desgraciadamente, no se conoce hasta ahora un mecanismo real capaz de convertir directamente en trabajo esta variación de energía libre− . Sin embargo se puede obtener trabajo de manera indirecta quemando la glucosa y utilizando el calor desprendido para mover una máquina térmica. El trabajo obtenido por este procedimiento es W , donde e es el rendimiento de la máquina. ( )∆Η−= e Pero, para producir trabajo mecánico, a partir de la glucosa en los animales, se descompone por medio de una serie compleja de reacciones bioquímicas, que incluye el ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs). Por cada mol de glucosa metabolizada se forman 38 moles de ATP (trifosfato de adenosina) a partir del ADP (difosfato de adenosina), según la reacción ATPFosfatoADP →+ La variación de energía libre de esta reacción es +33 kJ por cadamol de ATP formado. Por lo tanto, en la reacción total Glu OHCOATPFosfatoADPOa 222 663838386cos ++→+++ ____________________________________________________________________ 31 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO la variación de energía libre es: =∆G -2870 kJ + (38)(33 kJ) = -1600 kJ Puesto que no hay trabajo durante el metabolismo de la glucosa, esta energía libre es energía perdida, en el sentido de que ya no es utilizable para realizar trabajo, esta podrá ser efectiva cuando se transforme ácidos grasos ó en ATP. Existen todavía (38)(33 kJ) = 1250 kJ de energía libre utilizable procedentes de la reacción FosfatoADPATP +→ Esta reacción produce, por ejemplo, contracción muscular con un rendimiento de alrededor del 50 %. Es decir, las 1250 kJ utilizables para producir trabajo dan lugar a unos 625 kJ de trabajo útil. El resto se pierde en forma de calor. Con la glucosa a modo de combustible, el rendimiento del músculo considerado como una máquina es: Q We = = ∆H W = 2820KJ 625KJ =0.22 Las oxidaciones biológicas, son esencialmente combustiones sin flama, o a baja temperatura. Como hemos visto el calor no puede ser utilizado como fuente de energía en los seres vivos, ya que en estos últimos sus reacciones biológicas son esencialmente isotérmicas debido a que, los procesos termodinámicos que suceden del exterior hacia el interior y viceversa (intercambio de energía), se llevan a cabo a presión y temperatura constante; el calor solo puede realizar trabajo a presión constante cuando fluye desde un cuerpo a otro que se encuentre a temperatura inferior como sucede en las máquinas térmicas, en cambio, la energía libre de los combustibles ____________________________________________________________________ 32 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO celulares, se conserva en forma de energía química inherente a la estructura de enlaces covalentes de los grupos fosfato terminales en la molécula de trifosfato de adenosina, tal como se observa en la figura 2.6 CO2 Combustibles H2O ATP Pi Pi O2 Pi Pi Trabajo de biosíntesis Trabajo de transporte Trabajo mecánico Catabolismo ADP Figura 2.6 Transformación de energía química(energía interna) en Trabajo en el ser humano, interviniendo el ciclo anabólico – catabólico. El ATP se produce enzimáticamente a partir del difosfato de adenosina (ADP), y el fosfato orgánico mediante reacciones enzimáticas de transferencia del grupo fosfato, que están específicamente acopladas a etapas de oxidación específicas durante el catabolismo. ____________________________________________________________________ 33 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO El ATP así formado puede difundirse entonces hacia aquellos lugares de la célula en los que se necesita energía [12]. 2.1.4 Energía utilizable. Sí se deseara conocer la cantidad de energía interna (química), que aportan los combustibles metabolizados en forma de ATP, para que el sistema músculo esquelético de un ciclista, con un rendimiento normal del 22 %, pueda impulsar la masa del ciclista y la bicicleta con un peso de 65 kg. y ascender una colina, sí, al comienzo del trabajo de ascenso la velocidad del ciclista es de 15 m/s, y al final del ascenso de la colina la velocidad es de 10 m/s, también se sabe que la altura vertical de la colina es de 25 metros. Después del análisis de la ley de la conservación de la energía, se podrán conocer las aportaciones del trabajo que se efectúa por pedaleo, por energía potencial y finalmente la energía química aportada por los energéticos. Para el análisis se usaran dos ecuaciones a partir de la ecuación 2.1, las cuales respectivamente, una se encargará del análisis de las aportaciones de energía, desde el interior del organismo del ciclista hacia las fronteras del mismo, y la otra se utilizará para el análisis de los efectos del trabajo del ciclista hacia el medio. Sí se inicia del Teorema de Trabajo-Energía, “el trabajo total W que se realiza sobre un objeto que se desplaza desde una posición inicial A, a una posición final B, es igual al cambio de energía cinética del objeto” AB KKW −= donde por definición, la energía cinética K de un objeto de masa m que se mueve con velocidad v es ( ) 221 mvK = Pero se conoce también que el trabajo W hecho en un sistema, es igual a la suma del trabajo W hecho por las fuerzas conservativas y el trabajo Wc nc hecho por las ____________________________________________________________________ 34 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO fuerzas no conservativas. Entonces el teorema trabajo-energía se puede representar de la siguiente manera: ncc WWW += 2.12 dondeW es el trabajo de las fuerzas conservativas, al mover un objeto (ciclista y bicicleta) a lo largo de cualquier camino entre dos puntos determinados, A y B, siendo la gravedad una fuerza conservativa, entonces cuando el objeto (ciclista y bicicleta) de masa m cae verticalmente o diagonalmente en el plano inclinado que se forma por la colina, desde la parte más alta a la más baja, el trabajo realizado sobre el objeto por la fuerza de gravedad es c ( ) UUUUUmghmghW ABBABAc ∆−=−−=−=−= Sustituyendo W en la ecuación 2.12 se tiene c KWUW nc ∆=+∆−= UKWnc ∆+∆= La modificación de la ecuación 2.12, manifiesta que el cambio en las energías cinéticas más la potencial, es igual al trabajo no conservativo total hecho del sistema sobre el medio. Pero también se sabe que el trabajo no conservativo W , se divide en trabajo hecho por fuerzas disipativas W , y el trabajo hecho por las fuerzas aplicadas , entonces la ecuación anterior deberá escribirse de la siguiente manera nc d aW W UKWW adnc ∆+∆=+= por definición se sabe que las fuerzas disipativas son fuerzas no conservativas, como el rozamiento y la resistencia del aire, efectuando generalmente un trabajo negativo, es por esa razón que muchos científicos han establecido, a partir de experimentos [11], que siempre que se hace un trabajo disipativo dW sobre un ____________________________________________________________________ 35 Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO sistema, hay un aumento de energía interna I del sistema igual a d , escribiéndose de la siguiente manera =∆I W− IWd ∆=− por lo tanto, finalmente la ecuación 2.12 quedará expresada como IUKWa ∆+∆+∆= 2.13 El trabajo aplicado es el que se lleva a cabo mediante dispositivos llamados máquinas, que convierten la energía interna en trabajo, los ejemplos más comunes de máquinas son: los motores de automóviles, las máquinas de vapor y los músculos animales (sistema músculo esquelético), por lo tanto los cambios de energía cinética y potencial son: omghmghmghU ABA −=−=∆ kJU 59.1=∆ ( ) ( ) =−=∆ 22 2121 BA mvmvK kJK 1.4−=∆ Finalmente haciendo uso de la ecuación 2.13 se obtendrá IUKWa ∆+∆+∆= = IkJ ∆+8.11 Como I∆ corresponde las pérdidas por fricción y por resistencia del aire, sólo para este caso lo idealizaremos considerándolo sin pérdidas, por lo tanto , resultando como mínimo valor de W kJa 8.11= . Pero como el rendimiento del sistema músculo esquelético se propuso con un 22 %, y el rendimiento e de una máquina es la razón del trabajo aplicado que se produce
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