1.- ib introduccion instrumentacion(21.03.2014)

INSTRUMENTACION BIOMEDICA

Introducción y Contenido del curso

Teófilo M. Huablocho Pérez huablocho.tm@pucp.edu.pe

teofilo@terra.com.pe

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

PACIENTE EN MAQUINA DE ANESTESIA

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

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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

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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)