1.- ib introduccion instrumentacion(21.03.2014)
TRANSCRIPT
INSTRUMENTACION BIOMEDICA
Introducción y Contenido del curso
Teófilo M. Huablocho Pérez [email protected]
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN
MARCOS
Instrumentación Biomédica
Programa Analítico
Objetivo del Curso (I):
Que al finalizar el curso el alumno
sea capaz de reconocer y evaluar
señales Biomédicas. Identificar
sensores y Transductores: tipos,
características, clasificación y
utilización.
Objetivo del Curso: (II)
Conocer los principios físicos de
funcionamiento de los sensores y
transductores.
Conocer los principios de
funcionamiento y el uso de equipos
médicos diversos.
Objetivo del Curso: (III)
Conocer las normas técnicas y de
calidad aplicables a los fabricantes de
los equipos Biomédicos y los
estándares particulares en su
fabricación …. Con la investigación del
alumno.
SISTEMA RENAL
LOS RIÑONES
SISTEMA RENAL
• El aparato urinario o excretor es un
conjunto de órganos encargados de
mantener la homeostasis del equilibrio
ácido-base y del balance hidrosalino,
extrayendo de la sangre productos de
desecho del metabolismo celular y
eliminándolos hacia el exterior del
cuerpo.
SISTEMA
RENAL El aparato urinario se compone
fundamentalmente de dos partes que son:
• Los órganos secretores que son los riñones, que producen la orina y desempeñan otras funciones.
1. Además de retirar los desechos, los riñones liberan tres hormonas importantes:
2. eritropoyetina, que estimula la producción de glóbulos rojos por la médula ósea.
3. renina, que regula la presión arterial
4. la forma activa de la vitamina D, que ayuda a mantener el calcio para los huesos y para el equilibrio químico normal en el cuerpo.
SISTEMA
RENAL
• La vía excretora, que recoge la orina y la expulsa al exterior. Esta formado por un conjunto de conductos que son:
1. Los uréteres, que conducen la orina desde los riñones a la vejiga urinaria.
2. La vejiga urinaria que es un receptáculo donde se acumula la orina.
3. La uretra, que es un conducto por el que sale la orina hacia el exterior, siendo de corta longitud en la mujer y más larga en el hombre.
• La especialidad quirúrgica encargada de las enfermedades del aparato urinario se llama urología y la especialidad médica nefrología.
• El aparato urinario está muy relacionado embriológica y anatómicamente con el aparato genital, de tal manera que a ambos aparatos se les llama el aparato urogenital.
MÁQUINA DE HEMODIALISIS
MÁQUINA DE HEMODIALISIS
FUNCIONAMIENTO DE MAQUINA DE HEMODIALISIS
FUNCIONAMIENTO DE MÁQUINA DE HEMODIALISIS
SISTEMA DE CONDUCCION CARDIACA
EL CORAZON
SISTEMA de CONDUCCION
CARDIACA
1ra Medición del EKG - EINTHOVEN
SISTEMA RESPIRATORIO
LOS PULMONES
Tu sistema
respiratorio ayuda a
tu cuerpo a coger el
oxígeno del aire.
Está compuesto por
la nariz, la boca, la
tráquea, los
pulmones y el
diafragma.
El sistema respiratorio
1
6
5
4
3
2
NARIZ
DIAFRAGMA
BRONQUIOS
TRAQUEA
PULMONES
BOCA
La inspiración y la espiración
Cuando inspiras, el diafragma se contrae y se mueve hacia abajo, la cavidad torácica se expande y el aire entra con rapidez en los pulmones a través
de la tráquea. Cuando el diafragma se relaja, adopta su posición normal, los pulmones se
contraen y el aire se expulsa.
Cuando inspiras introduces aire rico en oxígeno en tus pulmones. El aire llega a través de la tráquea y los bronquios hasta unos sacos diminutos que se llaman alveolos pulmonares. Los alveolos están
rodeados por pequeños vasos sanguíneos, los capilares. Entre los alveolos y los capilares se produce el intercambio de gases. El oxígeno del aire pasa a la sangre y el dióxido de carbono pasa de la sangre al aire. Cuando vacías tus pulmones, cuando espiras, el aire con el dióxido de carbono sale al exterior.
Los Pulmones
RESPIRADOR PULMONAR
Tecnologia de Turbine, independiente de fuente
de aire comprimido
Vista Frontal y Posterior Maquina de Anestesia DRAGER
IMÁGENES MEDICAS
1972 Hounsfield announces findings at British Institute of Radiology
1979 Hounsfield, Cormack receive Nobel Prize in Medicine
(CT images computed to actually display attenuation coefficient m(x,y))
Important Precursors:
1917 Radon: Characterized an image by its projections
1961 Oldendorf: Rotated patient instead of gantry
),(),(ID yxμyx Result:
HACES INCIDENTE y TRANSMITIDO
¿Qué es PET/CT?
Es un estudio que combina Tomografía Computada (CT)
con Tomografía por Emisión de Positrones (PET) en una
misma imagen.
Con la fusión de imágenes que permite la cámara PET/CT
se realizan ambos estudios al mismo tiempo. Gracias a ello,
es posible obtener imágenes muy claras que combinan las
imágenes anatómicas que muestra el CT con las de función
celular (o metabolismo) que proporciona el PET.
Esta fusión de las dos técnicas hace que el estudio sea
mucho más confiable, diagnóstico y fácil de interpretar
que si se realizaran ambos estudios por separado.
Imágenes obtenidas con el PET -CT
Ciclotrón
Acelerador de partículas pesadas:
Hidrógeno, Deuterio
Generador de elementos radioactivos o
radioisótopos.
Fundamento/Principios: trabajos de
Lawrence, Livingston y otros
investigadores en la década de 1930
Ciclotrón
Estructura metálica
de protección y
conductor de la
líneas de campo
Bobinas
magnéticas
Blancos a bombardear
Sistema de vacío
2,8 – 3,1 T
Imágenes obtenidas con el PET -CT
La Instrumentación Biomédica mide
señales procedentes de un ser vivo, estas
son procesadas garantizando en todo
momento la seguridad del paciente, por
ello se introduce un aislamiento eléctrico
entre el sistema de medida y el paciente.
La instrumentación biomédica
trata sobre instrumentos
empleados para obtener
información, aplicar energía a
los seres vivos y obtener
información funcional y
provocada …
DISPOSITIVO MEDICO …..
Cualquier instrumento, aparato, máquina,
software, equipo biomédico de tecnología
controlada u otro artículo similar o relacionado,
utilizado sólo o en combinación, incluyendo sus
componentes, partes, accesorios y programas
informáticos que intervengan en su correcta
aplicación, propuesta por el fabricante para su
uso en:
DISPOSITIVO MEDICO …(II)
1.- Diagnóstico, prevención, supervisión,
tratamiento o alivio de una enfermedad.
2.- Diagnóstico, prevención, supervisión,
tratamiento alivio o compensación de una lesión
o de una deficiencia.
3.- Investigación, sustitución, modificación o
soporte de la estructura anatómica o de un
proceso fisiológico.
4.- Diagnóstico del embarazo y control de la
concepción.
DISPOSITIVO MEDICO …(III)
5.- Cuidado durante el embarazo o el
nacimiento, o después del mismo, incluyendo el
cuidado del recién nacido.
6.- Productos para desinfección y/o esterilización
de dispositivos médicos.
7.-Los dispositivos médicos no deberán ejercer la
acción principal que se desea por medios
farmacológicos, inmunológicos o metabólicos.
NOTA FINAL
Promedio de 3
Evaluaciones: 01 Examen Parcial.
01 Examen Final.
01 Promedio de Practicas.
EL CUERPO HUMANO
COMO SISTEMA y LAS
SEÑALES BIOMEDICAS
El cuerpo humano es una
conjunción de múltiples procesos
químicos, electroquímicos,
biológicos y fisiológicos, que se
manifiestan mediante señales que
reflejan su naturaleza y actividad.
Los principales objetivos del
procesamiento y análisis de estas
señales son la adquisición de
información, diagnostico,
monitorización terapia y control.
INTRODUCCION SEÑALES BIOMEDICAS
Señal: Es un fenómeno que transporta información (V, I, etc.)
Características de una señal:
• Origen .- magnitud (amplitud)
• ancho de banda (frecuencia)
Tipos de señales:
• señal eléctrica
• señal acústica
• señal magnética
• señal mecánica
• señal óptica
Señales Biomédicas:
Señales utilizadas principalmente para extraer
información de un sistema biológico con fines de
investigación, monitoreo y/o diagnóstico.
La extracción de la información biológica
puede ser tan sencilla como la estimación
de la frecuencia cardiaca de un paciente a
través del pulso o tan compleja como el
análisis de la estructura interna de los
tejidos blandos mediante una sofisticada
maquina PET.
Mediciones Rango Frecuencia, Hz Adquisicion
Flujo Sanguineo 1 to 300 mL/s 0 to 20 Electromagnetica
Presion Sanguinea 0 to 400 mmHg 0 to 50 Cuff or strain gage
Cardiac output 4 to 25 L/min 0 to 20 Fick, dye dilution
Electrocardiografia 0.5 to 4 mV 0.05 to 150 Electrodos Fijos
Electroencefalografia 5 to 300 m V 0.5 to 150 Electrodos a Succion
Electromiografia 0.1 to 5 mV 0 to 10000 Electrodos de Aguja
Electroretinografia 0 to 900 m V 0 to 50 Electrodos y Lentes
pH 3 to 13 pH units 0 to 1 pH electrode
pCO2
40 to 100
mmHg 0 to 2 pCO2 electrode
pO2
30 to 100
mmHg 0 to 2 pO2 electrode
Respiracion 2 to 50
breaths/min 0.1 to 10 Impedancia
Temperatura 32 to 40 °C 0 to 0.1 Termistor
Mediciones Biomedicas mas comunes
INTRODUCCION A LOS
SISTEMAS DE MEDIDA
SISTEMA DE MEDIDA La función esencial de un sistema
de medida es la asignación objetiva
(independiente del observador) y
empírica (basada en la
experimentación) de un número a
una propiedad o cualidad de un
objeto o evento.
TRANSDUCTOR, en general es
todo dispositivo que convierte
una señal de una forma física en
otra señal, que se corresponde
con la primera, pero de forma
física distinta.
De todos los transductores que
existen (atendiendo a seis tipos de
señales: mecánicas, térmicas,
magnéticas, eléctricas, ópticas o
químicas), los considerados
transductores son aquellos que
ofrecen una señal de salida
eléctrica.
La relación entre la salida eléctrica ofrecida
por el transductor y la magnitud de la señal
se conoce como FUNCION DE
TRANSFERENCIA, y por lo general
conviene que se aproxime lo máximo
posible a una función lineal.
Sensor
Data
communication
Data
displays
Effector
Measurand
Signal
conditioning
Signal
processing
Data
storage
Feedback
Outputs
Tipico sistema de medida utiliza sensores
para medir la señal del sujeto,
procesamiento de señal y visualizacion,
con lazo de realimentacion y
estimulacion para PE. Referencia: Jhon Webster
a.- sistema incompleto no funcional b.- Sistema
funcional incluye al medico como elemento de
realimentación
SENSORES BASICOS
ELECTRODO ….
El registro de potenciales electricos
(intracelulares y extracelulares) se realiza
mediante electrodos.
Caracteristicas de un electrodo:
*Transformar Corrientes ionicas en
corrientes electricas.
**Transformacion con minimas perdidas.
**Debe ser poco invasivo.
Electrodo ….(2)
Cuando un electrodo se
pone en contacto con un
electrolito, se produce una
distribucion de cargas en la
interfase, dando lugar a la
aparicion de una diferencia
de potencial entre ambas
fases, a la que se denomina
“Potencial de Equilibrio”
(Ee)
Electrodo ….(3)
Ee se mide con respecto a
un electrodo de
Hidrogeno de referencia
(E°).
Los potenciales de
equilibrio para algunos
materiales se pueden ver
en el cuadro adjunto.
Un electrodo se pone contra la piel, y se forma el circuito
eléctrico equivalente, que se obtiene en esta situación.
Cada elemento del circuito está aproximadamente al mismo
nivel que el proceso físico que representaría el circuito
eléctrico en contacto con la mano-izquierda.
Glandulas sudopiperas
y conductos
Electrodo
Epidermis
Dermis y la capa
subcutanea Ru
Re
Ese
Ehe
Rs
Rd Cd
EP
RP CP Ce
Gel
Circuito equivalente para el biopotencial de contacto
del electrodo con el electrolito. Ehc = potencial de
contacto electrodo-electrolito, Rd y Cd constituyen
la impedancia asociada con la interfaz del electrodo-
electrolito y la polarizacion efectuada, y Rs es la
resistencia del electrolito.
Grafico que determina la magnitud de la impedancia en
funcion de la frecuencia para electrodos.
Electrodos ….
Tipos de Electrodos ….
Circuito Equivalente de un micro
electrodo de metal.
(a) Electrodo dentro de una célula, y se
muestra la distribución de la
capacitancia.
(b) circuito Equivalente para la
situación en (a).
(c) Circuito equival. simplificado.
Metal rod
Tissue fluid
Membrane potential
N
C
B B
Emp Membrane
and action
potential
Cma
Rma
Cd + Cw
Ema - Emb
E
0
A
(a)
N = Nucleus
C = Cytoplasm
(b)
(c)
B
A
A
Reference electrode
Rmb Rma
Emb Ema
Emp Ri Re
Cmb Cma
Cdi
Cd2
Rs Cw
Insulation
Cd Cell
membrane +
+ +
+ +
+ + +
+ +
+ + + + + + + +
+ + + + -
- - -
- -
- - -
- - - - - - - - -
- - -
-
Microelectrodos ….
De L. A. Geddes, Electrodos y la Medida de Eventos de Bioeléctrico, Wiley-Interscience, 1972
Microelectrodos en EEG
BIOSENSORES Compuesto por 2 elementos:
1.- Elemento biologico (Enzima, anticuerpo.. )
2.- Elemento sensor.
El material biologico de reconocimiento
interactua con el analito (substancia a detectar) y
da una respuesta detectable por el elemento
sensor, que convierte los cambios en las
biomoleculas en una señal de salida, de tipo
electrico.
Biosensores
Señal
Analito Biosensor
Elemento
biológico
Elemento
sensor
Respuesta
Una de las caracteristicas de los biosensores (que
los distingue de otros metodos de analisis
biologicos) es que el analito puede ser medido de
forma directa e instantanea.
Reacciones enzimáticas
Adsorción físicaAtrapamiento mediante
membrana semipermeableUnión covalente
Sensor
B B B B B B B
Membrana
Sensor
B B B B B
B B B B
Sensor
B B B B B B
+sustrato
enzima enzima
sustrato
Complejo
intermedio
+enzima
producto
ITES PARANINFO
Ejemplo de biosensor
membrana de
acetato de
celulosa
enzima
inmovilizada (GOD)
membrana
inmovilizada
capa de
aislamiento
capa de grafito
sustrato
metálico1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
10 20 30 40
Concentración (mM)
Co
rrie
nte
(m
A)
© ITES-Paraninfo
Estructura Biosensor
• Reaccion
redox
• Cambio
en
potencial
Ag/Cl Reference
Electrode
Oxidase
Electrode
Gold Contacts
0 Volts X Volts
Biosensores de Colesterol y Glucosa
• Colesterol:
– Diagnostico/prevencion
de enfermedades del
corazon.
• Glucosa
– Diabetes
OneTouch Ultra glucose test strip (Lifescan, Milpitas, CA)
• Pelicula superior.
• Hydrophilic tape layer
• Capa adhesiva.
• Capa de la enzima.
• Capa de aislamiento.
• Capa de carbon (electrodes)
• Sustrato.
Gluconic Acid
Ag anode
O2 Glucose oxidase O2
Pt cathode
H2O2
Glucose + O2
Plastic membrane
0.7 V
– +
Ammeter
El electrodo enzimático de glucosa, cuando la glucosa está presente y se combina
con O2, entonces disminuye el O2 y alcanza el cátodo.
22oxidaseglucose
22 O2HacidGluconicO2HOGlucose
Electrode surface
e_
Dimethyl ferrocene
oxidized form
Dimethyl ferrocene
reduced form
Glucose oxidase
reduced form
Glucose oxidase
oxidized form
Glucose
H2O
2
Figure 3.6 The sequence of reactions involved in the mediated reaction of a glucose sensor
(Taylor and Schultz, 1996). Dimethyl ferrocene expedites the transfer of electrons from the
electrode surface to the redox center of the enzyme glucose oxidase. The use of the
mediator dimethyl ferrocene reduces the sensor’s dependence on oxygen tension.
LIFESCAN
Sure Step
Front Back
Apply a drop
of blood to
the strip
The dot turns
blue when enough
blood is applied
109 mg/dL
LifeScan, Inc., Un sistema de Johnson and
Johnson para Monitorear los Niveles de glucosa en
la sangre.
Fotomultiplicador
io
C
Cr
Rr
Vo=R
rio
Capacidad de salida del
fotomultiplicador +
capacidades parásitas
del cableado y
amplificador
Acondicionamiento. Convertidor I-V
© ITES-Paraninfo
Tratamiento electrónico de la señal
© ITES-Paraninfo
Señal
eléctrica
Referencia
FiltradoMicro-
controlador
AmplificaciónDisplay
Almacenamiento
ADC
SISTEMAS GENERALES DE
INSTRUMENTACION
*Bioinstrumentation
*Biomaterials
*Biomechanics
*Biosignals Biosystems
*Biotransport
*Rehabilitation engineering
*Clinical engineering
Sistema General de Instrumentacion Biomedica: El transductor convierte la
energia en informacion del sujeto en medicion en otra forma (usualmente
electrica). La señal es procesada y visualizada para que el Medico procese la
informacion.
Bloques y conecciones mostradas son opcionales y dependen de cada aplicacion.
Perceptible
output Output
display
Control
y
Realimentacion
Procesamiento
de señal
Transmision
de datos Data
storage
Elemento
Variable de
Conversion
Transducer
Elemento
Primario de
Sensado
Sujeto Medido
Señal de
Calibracion
Radiacion,
Corriente electrica,
otra energia
aplicada
Power
source
MONITOR DE 5 PARAMETROS
DEFINICION: Equipo biomédico que adquiere señales básicas del cuerpo
humano mediante electrodos y sensores, visualizando estas
señales en una pantalla en forma de valores numéricos y
ondas de manera continua, que sirven al medico para
diagnosticar alguna patología.
Los signos Vitales que miden los Monitores se
denominan parámetros:
.- ELECTROCARDIOGRAMA (ECG)
.- RESPIRACION (Resp)
.-SATURACION DE OXIGENO (SP02)
.- PRESION NO INVASIVA (PANI)
.- TEMPERATURA (°T)
.- CAPNOGRAFIA (C02)
.- GASTO CARDIACO (GC)
.- PRESION INVASIVA (IBP)
PM 8000 (ECG, Resp.,SPO2,PANI y °T)
DIAGRAMA EN BLOQUES DE
MONITOR MULTIPARAMETROS
PARAMETROS DEL
MINDRAY PM 8000
ELECTROCARDIOGRAMA
(ECG):
Este parámetro registra la actividad
eléctrica del corazón mediante
electrodos colocados alrededor del
pecho y extremidades y se visualiza en
la pantalla la onda continua del ECG y
la frecuencia cardiaca.
Representacion de la actividad electrica de varias regiones del Corazon.
El trazado inferior es una representacion del ECG, con una tipica medida
del QRS de 1 a 3 mV.
El equipo muestra la onda del ECG en forma continua y la
frecuencia cardiaca, la frecuencia cardiaca el equipo lo calcula
promediando las 10 ultimas medidas.
La adquisicion de las señales biomedicas desde electrodos, son
acondicionadas a traves de un Amplificador de Instrumentacion.
Electrodes
60-Hz
ac magnetic
field
Displacement
currents
Differential
amplifier
+
-
+ Vcc
-Vcc
Z1
Zbody Z2
vo
vecg
RESPIRACION (Resp)
Este parámetro registra la frecuencia
respiratoria, que se obtiene utilizando
los mismos electrodos de ECG (Método
de impedancia) y en la pantalla se
visualiza la frecuencia respiratoria y la
onda de Resp.
El equipo muestra una onda en forma
continua y la frecuencia respiratoria,
esta función se obtiene de los mismos
electrodos del ECG mediante el
método de Impedancia.
Se genera usualmente inyectando en el tejido bajo
prueba corrientes senoidales (frecuencias entre 50
KHz y 1 MHz, y corrientes de 20 uA a 20 mA).
TEMPERATURA (T)
Este parámetro registra la
temperatura corporal mediante un
termistor (Normalmente un pt100)
colocado sobre la piel, vía rectal o
esofágica y en la pantalla se
visualiza la temperatura en °C.
El equipo muestra
el valor de la
temperatura
corporal en °C
ADQUISICION y
ACONDICIONAMIENTO DE LA
TEMPERATURA CORPORAL
© ITES-Paraninfo
www.ti.com
SATURACION DE OXIGENO (SPO2)
Este parámetro registra el porcentaje de
saturación de oxigeno (O2) en la sangre
arterial, mediante un sensor que se coloca en
el dedo del paciente midiendo
espectrofotométricamente la intensidad de
color rojo de la sangre y en la pantalla se
visualiza su valor en % y se visualiza la onda
pletismografica de la saturación.
Ley de Beer Lambert
Siendo:
I = Intensidad de la luz atenuada.
A = Coeficiente de absorción.
ADQUISICION y
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL
BIOMEDICA DE LA SATURACION DE
OXIGENO EN LA SANGRE
Fotomultiplicador
io
C
Cr
Rr
Vo=R
rio
Capacidad de salida del
fotomultiplicador +
capacidades parásitas
del cableado y
amplificador
Acondicionamiento. Convertidor I-V
© ITES-Paraninfo
PRESION NO INVASIVA (PANI)
Este parámetro registra la presión
arterial mediante una banda de goma
que se coloca alrededor del brazo del
paciente y en la pantalla se visualiza los
valore numéricos de la presión arterial
sistólica, diastólica y media.
El principio es el método oscilometrico: Donde el
sensor de presión detecta las fluctuaciones que
ocurren en la presión media y mediante un
algoritmo se calcula la presión Diastólica y
sistólica.
El equipo muestra
los valores de la
Presión sistólica,
diastólica y media,
en este parámetro
no se muestran
ondas.
SIMULADORES DE
SEÑALES BIOMEDICAS y
LA METROLOGIA
BIOMEDICA
142
MODELO MATEMATICO Es una descripción aproximada del modelo físico
utilizando el lenguaje matemático; por lo tanto se
trata de una descripción imperfecta del fenómeno
que se esta midiendo.
Modelo Matemático: y = f(x1,x2,…,xN)
Donde xi es el mejor estimado de Xi
y es el mejor estimado de Y
SIMULADORES
VIRTUALES
TEXAS INSTRUMENT
WWW.ti.com/medical
Bibliografía .- Apuntes de Clase de Instrumentación Biomédica de la
Maestría de Ing. Biomédica PUCP.
.- Webster, Jhon G. “Medical Instrumentacion” Application and
design” New York: Jhon Wiley, 1998.
.- Introducción a la Bioingeniería - Varios autores Editorial
MARCOMBO – España.
.- Bronzino, Joseph D. “The Biomedical Engineering
Handbook”, CRC Press, IEEE Press, 1999.
.- Tatsuo Togawa and Toshiyo Tamura “ Biomedical
Transducers and Instruments” CRC Press, Boca Raton New
York 2001.
.- Steven P. McPherson, RRT “RESPIRATORY CARE
EQUIPMENT” Ed. Mosby.
.- Seguridad Eléctrica – UniversidadAlcala – España
.- www.ti.com (Pagina Web de Texas Instrument)