ingenieri biomedica

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRONCA 2011

Ernesto Rodrguez DenisIngeniero Electricista, Especialidad en Telecomunicaciones. Universidad de La Habana en 1975. Fungi como Jefe del Departamento de Bioingeniera del Instituto Superior Politcnico "Jos Antonio Echeverra", con ms de 25 aos de experiencia en la docencia y la investigacin vinculada con las disciplinas de electrnica y bioingeniera. Son reas de experticia: Electrnica Analgica, Electrnica Digital, Materiales y Componentes Electrnicos, Mediciones Electrnicas, Circuitos Integrados, Electrnica Mdica, Ingeniera Clnica y Bioingeniera, en particular la Gestin Tecnolgica Hospitalaria en modernos hospitales. Concluy en 1986 el doctorado en Ingeniera Biomdica en la Universidad Tcnica de Praga CVUT, desarrollando mtodos novedosos para la medicin con alta exactitud en el campo electromtrico. Ha colaborado con universidades e instituciones de Polonia, Alemania, Venezuela, Colombia, Brasil, Chile y Mxico en la enseanza de la bioingeniera. Ha trabajado como profesor de posgrado en 10 universidades latinoamericanas. Tiene diferentes publicaciones nacionales e internacionales, y es autor de los textos "Equipos Electro mdicos" y " Principios de Bioingeniera" empleados en universidades de Cuba y Venezuela. Es el diseador principal de la lnea de electro estimuladores cubanos GIDs-XX. Ha integrado diferentes grupos de especialistas de la Repblica de Cuba en las esferas de formacin de recursos humanos, industria electrnica, equipos mdicos e investigacin cientfica. Es rbitro de la revista Universidad, Ciencia y Tecnologa de Venezuela. Es rbitro de la revista cubana de Ingeniera Biomdica y Fsica Mdica. Es rbitro de la revista mexicana de Ingeniera Biomdica. Es miembro del Comit Acadmico de la Maestra en Bioingeniera del ISPJAE. Es miembro del ejecutivo de la Sociedad Cubana de Bioingeniera, atendiendo la esfera de docencia y posgrado. Es miembro del Tribunal Estatal Nacional de Grados Cientficos en Electrnica y Telecomunicaciones de la Repblica de Cuba. Fue electo a la mesa directiva de la Federacin Internacional de Ingeniera Biomdica en el congreso mundial de la federacin en el 2000.

ECUACIONES DIFERENCIALES

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INTRODUCCIN

Cuando se habla de Ingeniera, en cualquiera de sus especialidades, inmediatamente se piensa en carreteras y edificaciones en el caso de Ingeniera Civil; en mquinas y herramientas para Ingeniera Mecnica; en hardware y software para Ingeniera de Sistemas, y as para todas las ingenieras. Estos sistemas, sin duda, contribuyen a elevar el nivel de vida del ser humano y su comunidad. Pero existen otras reas en las que estas herramientas de la Ingeniera realizan una labor incalculable para la vida de las personas, aplicndose de manera directa en el anlisis de los diferentes fenmenos que se presentan en el cuerpo humano y en general de los sistemas biolgicos. Estas herramientas no paran all, porque tambin ayudan a desarrollar dispositivos para la rehabilitacin y recuperacin de personas que padecen algn tipo de discapacidad, entre las que podemos citar: las vlvulas articas artificiales desarrolladas por ingenieros mecnicos o las prtesis auditivas para personas de la tercera edad con problemas de hipoacusia, desarrolladas por ingenieros electrnicos. La ingeniera biomdica es la disciplina encargada de conjuntar los mundos de la ingeniera con la medicina y fisiologa para lograr avances en el conocimiento cientfico y el desarrollo de la tecnologa en medicina y biologa. Las actividades que eso incluye van desde la aplicacin de mtodos matemticos, la ciencia experimental, el desarrollo tecnolgico y de aplicaciones clnicas.


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PRINCIPIOS DE BIOINGENIERA Y EQUIPOS ELECTRO MDICOS: DISEO DE UN ELECTRO ESTIMULADOR1. BIOINGENIERA: ASPECTOS MDICOS Y TCNICOSMientras unos definen la bioingeniera como una actividad orientada hacia la investigacin bsica ntimamente relacionada con la biotecnologa y la ingeniera gentica, otros suelen definirla como un amplio paraguas bajo el cual cabe todo un extenso campo. Este campo se ha ampliado significativamente desde el desarrollo de dispositivos mdicos en los cincuenta y los sesenta hasta abarcar un conjunto mucho mayor de actividades en el presente.

Fig. 1 La bioingeniera o ingeniera biomdica es una rama interdisciplinaria de la ingeniera que va desde temas tericos y no experimentales hasta aplicaciones muy actuales. La bioingeniera puede abarcar investigacin, desarrollo, implementacin y operacin. En consecuencia, tal y como ocurre en la prctica mdica, no es posible que una sola persona pueda adquirir una especializacin que abarque todo el campo. Debido a la naturaleza interdisciplinar de esta actividad, existe una gran interaccin y solapamiento de intereses y esfuerzos entre especialistas de diferentes ramas. Por ejemplo, los ingenieros biomdicos involucrados en el desarrollo de biosensores han de interactuar con los interesados en dispositivos protsicos en la creacin de la forma de detectar y utilizar las mismas seales bioelctricas en la activacin del dispositivo protsico. En otros casos, losECUACIONES DIFERENCIALES

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implicados en la automatizacin de un laboratorio de qumica clnica deben colaborar con los que desarrollan los sistemas expertos para la asistencia en la toma de decisiones mdicas. La cantidad de posibles ejemplos que se podran citar es prcticamente infinita.

Fig. 2

La IEEE define la Bioingeniera como la ciencia que estudia y busca la aplicacin de principios y mtodos de las ciencias exactas, en general, y de la ingeniera, en particular, a la solucin de problemas de las ciencias biolgicas y mdicas. Es decir, la Bioingeniera estudia el comportamiento normal de los diferentes sistemas que conforman el cuerpo humano, y muestra de esto es el estudio propiedades mecnicas de elementos seos realizado por ingenieros civiles. Tambin estudia el efecto de las enfermedades en los diferentes sistemas, como la investigacin, estudio de enfermedades auditivas que padecen las personas de la tercera edad, realizado por un grupo interdisciplinario de ingenieros elctricos y electrnicos. Lo anterior constituye la base para el desarrollo de soluciones a los diferentes problemas que se plantean, como es el caso del desarrollo de una silla de ruedas auxiliar para el bao, diseada y construida por un grupo interdisciplinario de ingenieros electrnicos e industriales.


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Las disciplinas de la bioingeniera pueden resumirse como: Anlisis medico y biolgico: deteccin, clasificacin y anlisis de las seales bioelectrnicas. Biomateriales: diseo y desarrollo de materiales bioimplantables. Biomecnica: estudio de la mecnica esttica y dinmica asociada a los sistemas fisiolgicos. Biosensores: deteccin de eventos bilgicos y su conversin a seales elctricas. Biotecnologa: creacin o modificacin de materiales biolgicos con fines beneficiosos, incluyendo la ingeniera de tejidos. Dispositivos protsicos y rganos artificiales: diseo y desarrollo de dispositivos para el reemplazo o la mejora de funciones. Efectos biolgicos los campos electromagnticos: estudio de los efectos de los campos electromagnticos sobre los tejidos biolgicos. Fenmenos de transporte: monitorizacin, medicin y modelado de procesos bioqumicos. Imgenes mdicas: representacin grafica de detalles anatmicos y fisiolgicos. Informtica mdica: datos de pacientes, interpretacin de los resultados y asistencia en la toma de decisiones mdicas, incluyndose los sistemas expertos y las redes neuronales. Ingeniera clnica: diseo y desarrollo de dispositivos, sistemas y procedimientos clnicos. Ingeniera para la rehabilitacin: diseo y desarrollo de dispositivos y procedimientos teraputicos y para la rehabilitacin. Instrumentacin biomdica: monitorizacin y medicin de eventos fisiolgicos; implica el desarrollo de biosensores. Modelado, simulacin y control de la fisiologa: utilizacin de la simulacin mediante ordenadores para desarrollar una mejor comprensin de las relaciones fisiolgicas.

2. EQUIPOS ELECTRO MDICOSLos equipos electro mdicos son utilizados en todas los niveles de especializacin de los Sistemas de Salud y por su importancia constituyen la columna vertebral de los servicios mdicos en cuanto a prevencin, diagnstico y tratamiento de las enfermedades. Estos equipos son un instrumento, aparato o mquina usado para: Prevencin, diagnstico y tratamiento de enfermedades.


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EQUIPOS PRINCIPALES EN UNIDADES QUIRRGICAS: Maquinas de anestesia Diatermias quirrgicas (electrociruga). Oximetros de pulso. Mesa quirrgica y amparas. Aspiradores. Laparoscopio. Corazones artificiales (dependiendo del caso). Marcapasos externos. Desfibriladores. EQUIPOS PRINCIPALES EN UNIDADES DE CUIDADOS INTENSIVOS: Bombas de infusin. Carros de resucitacin. Respiradores artificiales. EQUIPOS PRINCIPALES EN EMERGENCIAS: Electrocardiogramas. Monitores de parmetros fisiolgicos. Rayos X porttil. Ultrasonidos porttiles. EQUIPOS PRINCIPALES EN BANCOS DE SANGRE Y LABORATORIOS CLNICOS: Centrifugas. Espectrofotmetros clsicos Microscopios pticos. Incubadoras biolgicas Agitadores magnticos. Flamafotmetros. Gasmetros. Coagulometros. Contadores de clulas. EQUIPOS PRINCIPALES EN GINECOLOGA Y OBSTETRICIA: Ultrasonido diagnostico. Monitores fetales. Laparoscopios.


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EQUIPOS PRINCIPALES EN NEONATOLOGA Y PEDIATRA: Termocunas. Lmparas U.V. Respiradores peditricos y neonatales. Monitores de parmetros. Bombas de infusin. EQUIPOS PRINCIPALES EN REHABILITACIN Y FISIOTERAPIA: Electro estimulador de varios tipos y funciones. Diatermias teraputicas. Ultrasonidos teraputicos. Tracciones. hidromasajes y otros equipos de gimnasia clnica. EQUIPOS PRINCIPALES EN IMAGENOLOGA: Ultrasonido (ecografa): un transductor ultrasnico genera ondas acsticas a travs de la conservacin de la energa magntica, trmica y elctrica en energa mecnica. Doppler. Rayos X convencional: las radiografas convencionales producen imgenes de la anatoma que son diagramas sombreados basados en la absorcin de los rayos X. Tomografa axial computarizada: las imgenes de tomografa computarizada son reconstruidas a partir de una gran cantidad de mediciones de transmisin de rayos X a travs del paciente. Las imgenes resultantes son mapas tomogrficos del coeficiente de atenuacin de los rayos X. Resonancia magntica: son una modalidad de imgenes de importancia clnica debido a su excepcional contraste en los tejidos blandos

3. DISEO DE UN ELECTRO ESTIMULADOR 3.1. ELECTROESTIMULACIN.-

La electro estimulacin es la tcnica que utiliza la corriente elctrica, para provocar una contraccin musculara o a su vez una nerviosa, mediante un aparato llamado electro estimulador, para prevenir, entrenar o tratar msculos, buscando una finalidad teraputica o una mejora de su rendimiento. Los tratamientos de electro estimulacin son aplicados con un equipo llamado electro estimulador que no es ms que un generador de corriente, que produce impulsosECUACIONES DIFERENCIALES

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elctricos con la energa suficiente para generar un potencial de accin en las clulas excitables: musculare o nerviosas (sensitivas con resultados analgsicos y eferentes con resultados excito motrices), y asi modificar su estado habitual, que es el reposo.los impulsos deben ser calibrados segn dos variables: frecuencia (impulso al segundo en Hz) y cronaxia (ancho del impulso en microsegundos).

3.1.1. TIPOS DE ELECTROESTIMULACINDentro de la electro estimulacin existen diferentes tipos o tcnicas para su aplicacin, los principales mtodos son: ELECTROANALGESIA Es una tcnica encaminada a bloquear los impulsos de dolor que viajan por los nervios perifricos hacia la medula para despus viajar hacia el cerebro. La electro anestesia tiene su base en la teora de la compuerta del dolor de Melzack y Wall (1965), la cual establece que los impulsos dolorosos que viajan por los nervios perifricos hacia la medula, son controlados al entrar a las astas posteriores de la misma por impulsos interferentes que nacen en rganos no dolorosos tales como: corpsculos del tacto, del frio, de presin, etc. Estimulando estos corpsculos mecnica o elctricamente, se producen impulsos en los nervios respectivos que al llegar a la medula bloquean los impulsos dolorosos. Las especificaciones de esta onda llamada TENS es de una intensidad de corriente y tensiones variables de 20 a 80 mA o de 0 A 70 volts, adems de frecuencias ptimas de 10 a 100 Hz.

Fig. 3 onda TENS


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ELECTROESTIMULACION MUSCULAR La corriente recomendada es una onda rectangular, para evitar los desagradables y temidos efectos polares (sensacin elctrica, irritacin de la piel y hasta quemaduras), en el lugar de ubicacin de los electrodos por donde la corriente. La recomendacin es amplia en un inicio en 28 mA hasta 120 mA o la mxima soportable. Las corrientes de tipo galvnico estn desaconsejadas, por el elevado riesgo de quemaduras qumico-elctricas y por la desagradable sensacin de electricidad que se percibe a intensidades incluso bajas.

Fig. 4 onda EMS (electro estimulacin muscular)

IONTOFORSIS La iontoforesis es una tcnica para introducir medicamentos ionizables en los tejidos aprovechando la migracin de cargas elctricas dentro de un campo elctrico de polaridad constante, para esto se aplican dos electrodos enfrentados en la zona a tratar; uno de los electrodos contiene la droga ionizada (figura 5). El medicamento se coloca en el electrodo del mismo signo del ion que predomine en ella (+ o -) con una fuente de corriente constante con rango de 1 a 15 mA.


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Fig.5

TERAPIA INTERFERENCIAL El estimulador de ondas interferenciales es una equipo que utiliza ondas sinusoidales portadoras de media frecuencia con envolventes de baja frecuencia. La terapia interferencial se usa efectivamente para manejar el dolor agudo post operatorio, el edema, condiciones de inflamacin y espasmos dolorosos de los msculos La estimulacin interferencial es diferente a TENS, la que es un mtodo para suministrar la seal de dolor que va al cerebro o para hacer el dolor mas soportable activando al cuerpo para que genere ms qumicos de supresin del dolor, ya que las complicaciones son menos de las que se tiene con el uso de narcticos para el alivio de dolor.

3.2.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ELECTROESTIMULADOR.-

A continuacin vamos a ilustrar el esquema de bloques que vamos a utilizar como base para el diseo de nuestro equipo, el mismo que consta de un sistema de visualizacin donde podremos observar los mens ofrecidos por el equipo, este estar formando parte del modulo principal conectado a un microprocesador, y ser por medio de un teclado que se tendr acceso a las diferentes opciones. Este modulo principal ser el que controle los sistemas de habilitacin de cada uno de los mdulos, as como tendremos un sistema individual para cada modulo, dentro del cual tambin por medio de microprocesadores conectados tipo red al modulo principal comenzaran las determinadas terapias.


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Fig.6 diagrama de bloques del electro estimulador

3.3. DISEO ELECTRNICO DEL ELECTROESTIMULADOR.DISEO DEL MDULO DE ELECTROANALGESIA: Este modulo consta de un microprocesador PIC 16F628a, en el cual se van a generar los pulsos segn las frecuencias, cuya salida ser por el porta.3 desde donde se conectara a un filtro pasivo, el que esta formado por las resistencias R1, R2 adems de los condensadores C3 y C4, el mismo que sirve para generar el tipo de onda utilizado para esta terapia cuya salida ingresa a un amplificador operacional LM741, configurado con no inversor para generar la ganancia de voltaje de la onda entre 5v y 12v, cuya salida ingresa a otro LM741 en configuracin de seguidor de tensin. La salida del seguidor de tensin ingresa al rel que es el que se encargara de habilitar o deshabilitar la terapia durante el funcionamiento del equipo.


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DISEO DEL MDULO DE ESTIMULACIN MUSCULAR: Este modulo consta de un microprocesador PIC16F628a, en el cual se van a generar los pulsos segn las frecuencias, cuya salida ser por el pota.2 desde donde se conectara a un amplificador operacional LM741, configurado con no inversor para generar la ganancia de voltaje de la onda entre 5v y 12v, cuya salida ingresa a otro LM741 en configuracin de seguidor de tensin. La salida del seguidor de tensin ingresa al rel que es el que se encargara de habilitar o deshabilitar la terapia durante el funcionamiento del equipo.

Esquema del mdulo de estimulacin muscular

DISEO DEL MDULO DE IONTOFORESIS: Este modulo consta de un microprocesador PIC16F628a, en el cual al igual que el resto de mdulos se encontrara conectado de forma serial al PIC del modulo principal para recibir los datos de tiempo de habilitaciones de salidas. Este modulo consta tambin de dos amplificadores operacionales incluidos en el TL082, los cuales retroalimentan el uno al otro con el fin de lograr una corriente constante que ser la que se aplica al paciente, adems nos permite realizar una variacin de la salida de corriente entre 0 y 10 mA, la cual se realiza con el mismo potencimetro que se utilizara para regular la amplitud de la onda de los dems mdulos.


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Esquema del mdulo de iontoforesis

4. CONCLUSIONES:El desarrollo de este proyecto nos demuestra que es factible la fabricacin de equipos mdicos en nuestro pas, ya que contamos con todos los medios y ms aun la capacidad para hacerlo realidad. En lo que refiere a voltajes y corrientes a ser aplicados al paciente buscamos mantenernos por debajo de los lmites mximos aconsejados para as poder garantizar la seguridad al momento de que un paciente se someta a la electroterapia aplicada por el equipo.

5. RECOMENDACIONES:Como en todo equipo electrnico se deben seguir las especificaciones para un correcto funcionamiento, de igual manera se debe realizar una revisin peridica a fin de anticipar futuros problemas. Este diseo est listo para construirlo y para ampliar sus aplicaciones pues su planteamiento inicial lo provee de dos mdulos libres para terapias solicitadas por profesionales del rea mdica. La incursin en esta rea presenta muchas dificultades, pero es un rea en la cual la electrnica est inmersa y es de vital importancia, por lo que debemos romper esquemas y poner en marcha nuestras ideas y proyectos con mucho esfuerzo y dedicacin para as convertirnos en los pioneros del maana.


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