instrumentacion biomÉdica-arqui

8/12/2019 INSTRUMENTACION BIOMDICA-arqui

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INSTRUMENTACION BIOMDICA

INTRODUCCIN

La electrnica es la rama cientfico-tcnica que ha hecho las aportaciones msespectaculares en la instrumentacin biomdica en los ltimos aos. La aplicacin de laelectrnica a las diversas facetas de las ciencias biolgicas y mdicas ha dado lugar a laconsolidacin de una serie de disciplinas tericas y tecnolgicas que configuran el campode la Bioelectrnica. Dicho campo abarca un amplio espectro de disciplinas tales comomodelizacin de sistemas fisiolgicos, estudio de seales bioelctricas, instrumentacinbiomdica, medios de diagnstico, monitorizacin y terapia, sistemas de ayuda funcional,diseo de prtesis electrnicas, etc.

La definicin de "Bioingeniera" parte del prefijo "bio" que significa vida. La"Bioingeniera" puede subdividirse en diferentes reas como la bioelctrnica obiomecnica. Luego puede observarse que la Bioelectrnica es la rama de la ingenieraelectrnica que se aplica a los seres vivos en lugar de a los componentes fsicos

(electrnicos). La Bioinstrumentacin obtiene medidas de variables fisiolgicas de seresvivos para su posterior procesamiento y obtencin de resultados que determinan el estadodel mismo.

Para definir todos los trminos relacionados con la bioingeniera, se han creado numerosasasociaciones profesionales tales como IEEE Engineering in Medicine and Biology Group,el ASME Biomechanical and Human Factors Division, la Instrument Society of America, elAmerican Institute of Aeronautics and Astronautics y otras.El "Subcommittee B (intrumentation) of the Engineers Joint Council Committe onEngineering Interactions with Biology and Medicine" es una comisin de ingenieros que secre para definir la Bioingeniera. Entre sus recomendaciones cabe citar:

La Bioingeniera es la aplicacin de los conocimientos adquiridos por la influencia mutuade la Ingeniera y la Biologa de manera que ambas se puedan utilizar de forma mscompleta en beneficio del hombre.

La Bioingeniera tiene diferentes campos de aplicacin que se definen a continuacin: laingeniera Biomdica es la aplicacin de la ingeniera a la medicina, la ingeniera del MedioAmbiente es la aplicacin de los principios de la ingeniera al medio ambiente, la ingenieraAgrcola es la aplicacin de estos principios a la produccin biolgica y acciones externas yambientales que influyen en ella, la ingeniera de Factores Humanos que es la aplicacin dela ingeniera, fisiologa y psicologa a la optimizacin de las relaciones hombre-mquina,

etc.

Se denomina instrumento a cualquier dispositivo empleado para medir, registrar y/ocontrolar el valor de una magnitud que se desea observar. La instrumentacin desde estepunto de vista puede considerarse como la ciencia y tecnologa del diseo y utilizacin delos instrumentos.


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La instrumentacin biomdica trata sobre los instrumentos empleados para obtenerinformacin a aplicar energa a los seres vivos, y tambin a los destinados a ofrecer unaayuda funcional o a la sustitucin de funciones fisiolgicas. Existen equipos o instrumentospara diagnstico, monitorizacin, terapia, electrociruga y rehabilitacin.

Un problema importante en la ingeniera biomdica se refiere a la comunicacin entre losprofesionales de la ingeniera y los de la medicina. El lenguaje y "argot" del ingeniero y elmdico son diferentes. Aunque es importante que el mdico conozca suficienteterminologa de ingeniera que le permita tratar problemas con el ingeniero, la carga deestablecer la comunicacin suele recaer sobre este ltimo. El resultado es que el ingeniero otcnico deben aprender algunas nociones sobre anatoma y fisiologa, de forma que ambasdisciplinas puedan trabajar en armona. Por otro lado, el mdico suele ser un profesional deejercicio libre mientras que el ingeniero suele ser un asalariado, dando origen a unadiferencia conceptual en el enfoque econmico de forma que algunos mdicos se resisten aconsiderar a los ingenieros como profesionales y tienden a situarlos en una posicin desubordinacin. Adems los ingenieros suelen estar acostumbrados a las medidascuantitativas precisas, basadas en principios tericos y pueden encontrar poco prcticos losmtodos utilizados por los mdicos a menudo empricos y cualitativos.

Dado que el desarrollo y utilizacin de la instrumentacin biomdica debe ser un esfuerzoconjunto del ingeniero y el mdico, se deben realizar los mayores esfuerzos por solucionarestos problemas de "comunicacin".

El diseo de prototipos, desarrollo, fabricacin y venta de nuevos equipos o instrumentosbiomdicos es una tarea compleja, cara y que requiere de un proceso largo. No todos losprototipos de equipos pueden utilizarse y muy pocos llegan al mercado superando laspruebas y controles mdicos y la burocracia.

En la actualidad, el desarrollo de nuevas ideas es bastante limitado y la mayor parte de losnuevos equipos se basan en productos evolucionados dando origen a un nuevo modelo deun equipo ya existente, aumentando las prestaciones y caractersticas del mismo. Un equiponuevo se basa en un nuevo principio o concepto para solucionar un problema de forma mscmoda reemplazando mtodos antiguos.

HITOS MODERNOS EN DESARROLLO DE TECNOLOGAS MDICAS

A continuacin se mostrar cronolgicamente los principales desarrollos de tecnologasbiomdicas:

1895: W.K. Roentgen descubre los Rayos X (RX). Inicialmente los RX se usaron paradiagnosticar fracturas y dislocaciones de huesos. Para 1930 con RX se podan visualizarprcticamente todos los rganos del cuerpo gracias al uso de sales de bario y a una grancantidad de materiales radiopacos o de contraste.

1903: W. Einthoven, desarroll el primer electrocardigrafo para medir la actividadelctrica del corazn. Aplicando descubrimientos hechos en las ciencias aplicadas (qumica,fsica, ingeniera, fisiologa, microbiologa, farmacologa, etc.) al anlisis de procesos


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biolgicos, se inici una nueva era en las tcnicas de medicina cardiovascular y medicioneselctricas.1927:Se introduce el primer respirador artificial en procedimientos quirrgicos.1939:Se desarroll el primer bypass corazn -pulmn.1935-1939: Se desarroll la sulfanilamida y la penicilina disminuyndose el principal

peligro de la hospitalizacin en la poca: infecciones.1940:Los procedimientos mdicos de alto riesgo dependen mucho ms de la tecnologamdica. Se desarroll la cateterizacin cardiaca y la angiografa, que consiste en laintroduccin de una cnula a travs de la vena de un brazo hasta llegar al corazninyectando un tinte radiopaco para la visualizacin del pulmn y los vasos y vlvulas delcorazn. La figura muestra el equipo para efectuar cateterismo cardiaco.

1945 adelante: Despus de la II Guerra Mundial. Los avances tecnolgicos fueronimpulsados por la investigacin en el campo militar y el objetivo de establecer hbitats enel espacio y en el suelo ocenico. Como un producto de esos esfuerzos, la profesin mdicase benefici pues se han estado desarrollando todos los das nuevos dispositivos, equipos ysistemas puestos al servicio de la salud. La figura muestra diferentes tecnologaselectrnicas aplicadas al campo mdico.


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Los avances en la electrnica de estado slido, han hecho posible estudiar elcomportamiento de la neurona, la unidad central del sistema nervioso, as como monitorearparmetros fisiolgicos, como el ECG, de pacientes en la unidad de cuidados intensivos.Nuevos desarrollos de prtesis se ha convertido en la meta de los ingenieros biomdicospara mejorar la calidad de vida del hombre.

La Medicina Nuclear una consecuencia de la era atmica, surge como una poderosasolucin en la deteccin y tratamiento de anormalidades fisiolgicas tales como el cncer.

El diagnostico de ultrasonido basado en la tecnologa del sonar, se ha vuelto tan aceptadoampliamente que los estudios de ultrasonido son ahora parte de la rutina de diagnstico demuchas de las especialidades mdicas.

Las partes de repuesto para ciruga se han vuelto muy comunes. Por ejemplo, dispositivos

de asistencia cardiaca, como el corazn artificial, vlvulas y vasos sanguneos artificialesestn disponibles para reemplazar a corazones humanos enfermos.


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Los adelantos en nuevos materiales han permitido el desarrollo de dispositivos mdicos,como agujas, termmetros, as como los sistemas implantables de suministro de drogas.

Las computadoras, se emplean para almacenar, procesar y chequear registros mdicos, paramonitorear el estado del paciente en la unidad de cuidados intensivos y para entregar

estadsticas sofisticadas de diagnstico de enfermedades potenciales correlacionndolas conjuegos especficos de sntomas en pacientes.

Al desarrollarse las aplicaciones mdicas del computador, se lleg a la escanografa deTomografa Computada (TC), que revolucion los procedimientos de diagnstico noinvasivo mediante imgenes mdicas, que incluyen ahora las Imgenes de ResonanciaMagntica Nuclear (RMN) y la Tomografa por Emisin de Positrones. La figura muestraun equipo de tomografa computada.

ESTRUCTURA GENERAL DE UN SISTEMA DE INSTRUMENTACINBIOMDICA.

Todos los equipos o sistemas de instrumentacin biomdica tienen un diagrama de bloques

similar al de la figura 1.1. El flujo principal de informacin va del hombre al equipo. Loselementos mostrados por lneas discontinuas no son esenciales. La principal diferenciaentre los sistemas de instrumentacin biomdica y cualquier otro sistema deinstrumentacin convencional radica en que la fuente de las seales suelen ser seres vivos oenerga aplicada a estos seres o tejidos vivos.


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Los principales bloques que componen un sistema de instrumentacin biomdica son:

- MEDIDA:Es la magnitud fsica, propiedad o condicin que el sistema mide. La accesibilidad a lamedida es un parmetro a tener en cuenta ya que esta puede ser interna (presin de la

sangre), puede medirse en la superficie del cuerpo (potenciales extracelulares como elelectrocardiograma), puede emanar del cuerpo (radiaciones infrarrojas) o puede salir oderivarse de una muestra de tejido del cuerpo (sangre o una biopsia). Las medidas mdicasms importantes pueden agruparse en las siguientes categoras: biopotenciales, presin,flujo, dimensiones (imagen), desplazamiento (velocidad, aceleracin y fuerza), impedancia,temperatura y concentraciones qumicas. Estas medidas pueden localizarse en un rganoconcreto o por toda la estructura anatmica.

- SENSOR:Normalmente el trmino transductor se emplea para definir a aquellos dispositivos queconvierten una forma de energa en otra. El trmino sensor se emplea para los

dispositivos que convierten una medida fsica en una seal elctrica. El sensor slo deberaresponder a la forma de energa presente en la medida que se desea realizar y excluir lasdems. Adems debe poseer una interfaz con el tejido o sistema vivo de forma que nointerfiera en ste, debe de minimizar la energa extrada y ser lo menos invasivo posible.Muchos sensores constan de elementos sensores primarios como diafragmas, que conviertela presin en desplazamientos. Un elemento de conversin se encarga posteriormente deconvertir esta magnitud en seales elctricas como puede ser una galga que convierte el


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desplazamiento en tensin. Algunas veces, las caractersticas del sensor pueden ajustarsepara adaptarse a un amplio rango de sensores primarios.

Otras veces se necesitan alimentaciones externas para alimentar estos sensores y obtenerdatos de salida de los mismos.

- ACONDICIONAMIENTO DE LA SEAL:Normalmente, la seal obtenida del sensor no puede aplicarse directamente al display odispositivo de salida (pantalla, papel, etc.). Un acondicionador simple puede amplificar,filtrar y adaptar la impedancia del sensor a la pantalla. A menudo, las seales de salida delos sensores se digitalizan y se procesan utilizando ordenadores o sistemas basados enmicrocontroladores. Por ejemplo, para compensar los errores de medida debidos a posiblesruidos aleatorios puede realizarse un promediado de esta seal.

- DISPOSITIVO DE SALIDA:El resultado del proceso de medida puede mostrarse de diferentes formas, pero esconveniente que estos resultados se muestren de la forma ms sencilla y cmoda deinterpretar por parte del operador humano. En funcin del tipo de medida y cmo eloperador humano va a utilizarla, los resultados pueden representarse por medio grficos odatos numricos, de forma continua o discreta, de manera temporal o permanente. Aunquela mayora de los dispositivos de salida dan una informacin visual, existen equipos quepueden generar otro tipo de informaciones (pitidos, diferentes sonidos, etc.).

- ELEMENTOS AUXILIARES:Existen diferentes elementos auxiliares que pueden implementar en el equipo de medida.Puede utilizarse una seal de calibrado para calibrar los resultados. Puede introducirserealimentaciones de las seales de salida para controlar diferentes aspectos del equipo oajustar diferentes parmetros del sensor. El control y el sistema de realimentacin puedenser automticos o manuales. Los datos pueden almacenarse en memorias en funcin de lascondiciones de trabajo.

Existen sistemas de seguridad que alertan ante posibles riesgos por parte del sujeto.

Tambin pueden existir equipos de telemetra que envan datos a terminales remotos parasu posterior procesamiento.

CARACTERSTICAS DE LA INSTRUMENTACIN BIOMDICA.

La fuente de las seales medidas con la instrumentacin biomdica son los tejidos vivos oenerga aplicada a stos. Esta circunstancia condiciona los mtodos de medida aplicables ylos sensores o transductores a utilizar. Para ello deben cumplirse los siguientes requisitos:

1. La accin de medir no debe alterar la magnitud medida. Dicha alteracin puedeproducirse como resultado de una interaccin fsica (directa), bioqumica,fisiolgica o psicolgica. Lo ideal sera que las medidas se realizasen de una formano invasiva y sin contacto pero esto no es posible en todos los casos. Adems, el


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mero conocimiento de que se est realizando una medida puede provocar reaccionesen el paciente que distorsionan completamente los resultados.

2. Hay que garantizar la seguridad del paciente. La accin de medir no debe poner enpeligro innecesariamente la vida del paciente. Ante la inaccesibilidad de muchasmedidas se recurre a medidas indirectas en las cuales se sensa otra magnitud

relacionada con la deseada (por ejemplo, para medir la presin sangunea suelesensarse la variacin de volumen de un miembro cuando los atraviesa la sangreutilizando tcnicas de pletismografa). Si la variable medida es el resultado deaporte de energa al tejido vivo, hay que respetar los lmites aceptados como seguros(radiografa). La seguridad tambin exige que los sensores sean de fcilesterilizacin o de usar y tirar y no posean recubrimientos agresivos que puedanprovocar reacciones al entrar en contacto con el paciente.

3. Considerando el entorno de trabajo donde se van a ubicar los equipos, stos debenser robustos, fiables y de fcil calibracin.

Otra caracterstica que diferencia a la instrumentacin biomdica de la industrial es que lasvariables biomdicas rara vez son determinsticas y stas varan enormemente de unaspersonas a otras. Tambin es habitual, que en una medida de una seal biolgica influyanotras seales que constituyen una interferencia (estas interferencias pueden deberse a otrasvariables fisiolgicas o propias del equipo de medida). Su supresin es uno de los objetivosfundamentales en el diseo de un sistema de medida utilizndose para ello las tcnicashabituales en instrumentacin.

CLASIFICACIN DE LA INSTRUMENTACIN BIOMDICA.

El estudio de la instrumentacin biomdica puede realizarse al menos desde cuatro puntosde vista. Las tcnicas utilizadas para obtener la media biomdica pueden clasificarse enfuncin de la magnitud que se sensa, como puede ser la presin, flujo o temperatura. Unaventaja de este tipo de clasificacin es que pueden compararse fcilmente diferentesmtodos de medir un determinado parmetro.

Una segunda clasificacin se basa en el principio de transduccin, tales como resistivo,inductivo, capacitivo, ultrasonidos o electroqumicos.

Las tcnicas de medida pueden estudiarse separadamente para cada sistema fisiolgico:sistema cardiovascular, respiratorio, nervioso, etc. De esta forma, pueden aislarse diferentesparmetros para cada rea especfica. Pero normalmente se solapan diferentes magnitudes

medidas y principios de transduccin, es decir, puede medirse la misma magnitud oparmetro en varios sistemas fisiolgicos.

Por ltimo, los instrumentos biomdicos pueden clasificarse en funcin de la especialidadmdica o clnica donde se utilice. Ejemplos de esta clasificacin es la instrumentacindestinada a pediatra, obstetricia, cardiologa o radiologa, etc.


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OPORTUNIDADES DE INVESTIGACION Y DESARROLLO DETECNOLOGAS BIOMDICAS

Se presenta a continuacin diferentes reas de investigacin y desarrollo de tecnologasbiomdicas, en donde el ingeniero electrnico desarrolla un papel importante al formar

parte de los equipos multidisciplinarios que se conforman para tal fin.INSTRUMENTACION DE MEDIDAEs la encargada de medir, registrar y almacenar cualquier variable fisiolgica de origenmecnico, hidrulico, neumtico, trmico, elctrico empleando la ms depurada tcnica detratamiento de seales por procedimientos analgicos digitales (A/D). El monitor de signosvitales es el equipo ms representativo dentro del campo de la instrumentacin de medida.La figura, muestra un monitor de signos vitales de ltima generacin.

INSTRUMENTACION DIAGNOSTICA

Clasificacin automtica de electrocardiogramas y electroencefalogramas. El computadorse emplea como un sistema que procesa las seales, las clasifica y en base a pautaspreseleccionadas es capaz de suministrar un primer diagnstico, que el especialistaanalizar adecuadamente. La figura muestra un sistema de electrocardiografaautomatizada.


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INSTRUMENTACION TERAPUTICA

Es el campo de aplicacin donde ms se requiere la cooperacin mdico ingeniero.El mdico posee la idea del porqu, mientras que el ingeniero puede aportar la solucin alproblema. Los desarrollos van desde el tratamiento de dolores incurables mediante

estimulacin elctrica y de ultrasonido, hasta las tcnicas de electrociruga, desfibrilacin,laserterapia y litotricia. La figura 8 muestra un bistur electrnico.

INSTRUMENTACION DE IMAGENES MDICAS

Tecnologas de punta en equipos de diagnstico no invasivo de imgenes mdicas, comoTomografa Computada (TC), por Emisin de Positrones (PET) y por emisin de Fotones(SPECT), Resonancia Magntica Nuclear (RMN), Ecografa. La figura muestra un equipoporttil de ecografa.

INSTRUMENTACION PARA AYUDAS FUNCIONALESDenominada tambin Ingeniera de Rehabilitacin, consiste en todos los desarrollos quecontribuyen a suplir una funcin defectuosa del organismo.

Desde prtesis controladas por la actividad elctrica de los msculos hasta prtesis visualesimplantadas en el cerebro, que permiten la percepcin de puntos de luz y sombras para losinvidentes. Esta disciplina especializada recibe el nombre de Robtica Mdica. La figura 10muestra a un discapacitado por amputacin de sus brazos con prtesis mioelctricas debrazo.


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TELEMEDICINA

Es el empleo de las telecomunicaciones y de la informtica (Telemtica) para eldiagnstico, tratamiento y la atencin mdica de los pacientes. Implica el uso de latecnologa de las comunicaciones como un medio para llevar servicios mdicos a lugaresremotos. La figura muestra la infraestructura necesaria para desarrollar telecirugas.


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LA INGENIERA DEL CUERPO HUMANOLos mdicos inician el estudio del cuerpo humano desde la anatoma (estudio de laestructura o las partes que lo componen), la fisiologa (estudio de cmo funciona cada unade las partes) y la patologa (conocimiento de las enfermedades y como afectan a cada unade las partes). En el caso de los ingenieros, es importante tener un buen conocimiento de

estas materias para entrar a desarrollar tecnologa para la salud.Es necesario mencionar que el cuerpo humano est conformado por sistemas (Por ejemplo,el sistema cardiovascular), que a su vez los componen rganos (por ejemplo, el corazn),que estn compuestos de tejidos (por ejemplo, tejido muscular) y que los componen clulas(por ejemplo, neuronas, clulas nerviosas).

Se presenta a continuacin un esbozo muy general de cules son los sistemas quecomponen el cuerpo humano y como estn interrelacionados desde la ptica de laingeniera. La figura siguiente, muestra el diagrama de bloques del cuerpo humano.

RELACION SISTEMA CARDIOVASCULAR TEJIDOSA travs del intercambiador I1 (capilares sistmicos), el SCV suministra O2 y nutrientes alos tejidos y estos le entregan CO2 y otros productos de desecho.La figura siguiente muestra la anatoma del corazn.


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RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y ELRESPIRATORIO

El SCV, elimina el exceso de CO2 a travs del intercambiador I2 (capilares pulmonares) y

a travs de I2 se recarga de O2. La figura siguiente muestra la anatoma de los pulmones.

La figura siguiente, muestra la anatoma del sistema respiratorio.


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RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y ELGASTROINTESTINAL

La sangre del SCV, se abastece de nutrientes y elimina desperdicios como la bilirrubina atravs del intercambiador I3 (capilares mesentricos), que lo relacionan con el SGI, el cual

posee una entrada (ingesta) y una salida (excrecin). El hgado forma parte de I3. La figurasiguiente, muestra la anatoma del sistema gastrointestinal.

RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL RENAL

La sangre del SCV pasa por el intercambiador I4, compleja estructura del sistema renal(SRN), donde se regula la relacin cido-base, de regulacin osmolar, de retencin deciertas sustancias y de excrecin de otras. La figura siguiente, muestra la anatoma delrin.


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RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL DECOORDINACION E INTEGRACION (SISTEMA DE CONTROL)

Todos los sistemas del cuerpo son controlados en su funcionamiento por el sistemanervioso central (SNC) y por el sistema endocrino (SEN), que reciben y procesan toda la

informacin enviada por las distintas partes para generar seales elctricas (EEG) uhormonales que efectan control (adrenalina) y regulacin (insulina). La figura siguiente,muestra la anatoma del sistema nervioso.

La figura siguiente, muestra la anatoma del sistema endocrino (glandular).

SISTEMA REPRODUCTOR


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El sistema reproductor (SRP) cumple la funcin del mantenimiento de la especie,secundaria con respecto al mantenimiento del organismo.

SISTEMA LOCOMOTOR

El sistema locomotor (SLM), fundamental en las funciones de bsqueda de alimento, depareja, huida y defensa.

FUNCIN PRINCIPAL DE LA MAQUINA HUMANAMantener vivos los tejidos, por medio de suministrarles O2, nutrientes, como tambindisponer los desechos slidos, lquidos y gaseosos.

NIVELES DE LA ORGANIZACIN ESTRUCTUAL DEL CUERPOHUMANOLa figura siguiente, muestra los niveles de organizacin estructural del cuerpo humano,comenzando desde el nivel qumico (tomos) hasta finalizar en el nivel orgnico como tal,es decir, el cuerpo humano, visto como una compleja maquina biolgica.


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Como se ha visto brevemente, el cuerpo humano est diseado con elementos de ingenieraavanzada. Quin es el Gran Bioingeniero?, Con que propsito nos cre?, Cuidamos yvaloramos nuestro cuerpo?

PRINCIPIOS DE BIOINSTRUMENTACIN

Se denomina Bioinstrumentacin a la rama de la ingeniera electrnica que se dedica amedir y registrar seales de origen biolgico.

Cuando se disean sistemas de instrumentacin biomdica se aplican los mismos principiosy limitaciones de la instrumentacin industrial. Adicionalmente, se debe tener en cuenta laanatoma y la fisiologa del cuerpo humano.

As mismo, la seguridad para el paciente y el operador del equipo es el parmetro msimportante a tener en cuenta, an ms que su propio funcionamiento, para ello laCOMISION ELECTROTCNICA INTERNACIONAL (IEC), es quien regula a nivelinternacional las normas que deben cumplir todos los equipos biomdicos. (Normas IEC601.1 - 601.2)

OBJETIVOS DE LA BIOINSTRUMENTACIN DIAGNOSTICA

Ayudar al mdico y al investigador a idear formas de obtener medidas de biosealesprovenientes del ser humano vivo que sean confiables y significativas. Confiables en elsentido que la medida sea lo ms exacta posible.

Por ejemplo la temperatura corporal externa, medida debajo de la axila, se consideranormal cuando su nivel es de 37.5 C. Un aumento de un grado en la temperatura sediagnostica como fiebre y en el caso de un neonato (recin nacido) esta es una condicincrtica, por lo tanto, si el termmetro clnico digital presenta un error de exactitud de1.0C una temperatura de 38.5 C la mostrara como normal, cuando en realidad el beb seencuentra es estado febril. As mismo, las medidas deben ser significativas, para queaporten informacin importante al especialista mdico. Por ejemplo, disear un sistema deBioinstrumentacin para medir la permitividad elctrica de las uas no tiene mayorrelevancia clnica.

CONDICIONES EN LA TOMA DE MEDICIONES FISIOLOGICAS

Al tomar medidas de parmetros importantes del cuerpo humano, se deben tener en cuentalas siguientes condiciones:

- No poner en peligro la vida del paciente: ya que se perdera la razn de ser de laBioinstrumentacin, contribuir al mejoramiento de la salud.

- No someter al individuo a extremo dolor e incomodidad: Este es un principio denaturaleza biotica, por lo tanto, muchas tcnicas de la instrumentacin industrial nose pueden aplicar a las personas.

Por las razones expuestas anteriormente, la mayora de la medicina diagnostica ha dejadode ser invasiva, no solo para disminuir las molestias causadas al paciente, sino para


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conseguir mayores niveles de precisin que garanticen la certeza del diagnstico. La figurasiguiente muestra a un mdico tomando la presin arterial no invasiva con el mtodotradicional de auscultacin (mtodo manual)

La figura siguiente, muestra un monitor de presin arterial automtico, en donde laintervencin del mdico en la medida es mnimo (solo colocar el brazalete).

DIFICULTADES EN LA TOMA DE MEDICIONES FISIOLOGICAS


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El cuerpo humano presenta una considerable variabilidad en la medida de sus parmetrosimportantes debido a su gran complejidad y elevado grado de interaccin entre los sistemasque lo componen. A continuacin se presentan las mayores dificultades encontradas altomar medidas fisiolgicas:

Las relaciones entrada/salida no son determinsticas. Existe una relacindeterminstica siempre que un mismo valor de entrada produce siempre el mismovalor de salida. Por ejemplo, en un sistema fsico, como un amplificador conganancia 10, siempre que la seal de entrada sea de 100 mV, la salida ser de 1 V.Esto no sucede con un paciente, mantenido en condiciones ambientales constantesal cual se le toma la presin arterial en 10 instantes diferentes, separados entre ellosen 10 minutos pues las mediciones sern diferentes en todos los casos. Entonces serequiere aplicar tcnicas bioestadsticas para determinar la presin arterial.

Muchas variables fisiolgicas importantes no son de fcil acceso a los instrumentos

de medida. Por ejemplo medir el gasto cardiaco, definido como la cantidad desangre que bombea el corazn hacia la arteria aorta cada minuto (lts/min), requierede una medicin invasiva mediante la introduccin de un catter en cuya punta seubica un sensor para tal fin, lo cual implica un procedimiento de riesgo.

El elevado grado de interaccin entre las variables, debido a que todos los sistemasdel cuerpo se encuentran interrelacionados, hace prcticamente imposible mantenerconstante una variable mientras se mide la relacin entre otras dos. Por ejemplotratar de medir la presin arterial manteniendo el consumo de O2 en cero duranteuna hora, es imposible de llevarse a cabo, debido a que el paciente morira.

Algunas veces es difcil identificar quienes son las variables de salida y quienes lasde entrada, debido a la presencia de uno o ms lazos de realimentacin.

El instrumento de medida afecta las medidas hasta el punto que no se puederepresentar fielmente las condiciones normales, principalmente en medicionesinvasivas.

SEALES BIOMDICASDEFINICION DE SEAL BIOMDICAUna seal es una cantidad que vara en el tiempo y por lo tanto contiene

informacin. En el cuerpo humano cada sistema genera una cantidad de sealesque informan sobre el estado del mismo, normal o enfermo. Una enfermedad odefecto en un sistema causa una alteracin y por lo tanto genera seales que sondiferentes a las seales en estado normal. Para ilustrar, tenemos las sealesElectroCardioGrficas (ECG), que suministran informacin sobre el estado delsistema elctrico del corazn. Por ejemplo, en la siguiente figura muestra la sealde electrocardiografa (ECG) de un paciente sano y muestra la de un paciente


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enfermo con taquicardia supra ventricular (aumento de los latidos cardiacos porminuto).

Comparando la segunda seal con respecto a la primera se puede observar quelos picos mximos (correspondientes al latido) se presentan con mayor frecuenciay que la pequea onda que precede a la onda de mayor amplitud no estpresente. El cardilogo est entrenado para percibir estas diferencias con respectoa la seal ECG normal y con base a ello emite su diagnstico.Como las seales provenientes del cuerpo humano son de origen biolgico

reciben el nombre de bioseales.Estas diferencias en la forma de las seales, se refleja en el dominio de lafrecuencia al aplicar la Transformada Rpida de Fourier (FFT) para determinar sucontenido espectral. Las siguientes figuras muestran el espectro de frecuenciasdel ECG correspondientes a las seales de las figuras anteriores respectivamente.Obsrvese como el espectro de frecuencia de la seal ECG normal tiene un mayorcontenido de armnicos que la de seal correspondiente a la taquicardia supraventricular.


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TIPOS DE SEALES BIOMEDICAS

A continuacin se mostrar de forma breve los tipos de bioseales msimportantes del cuerpo humano y los equipos electrnicos empleados en su

medicin y registro.

- SEALES DE BIOIMPEDANCIALa impedancia elctrica de los tejidos, Z(t), contiene informacin importantesobre su composicin, volumen y distribucin sangunea, actividad endocrina,actividad del sistema nervioso y ms. Se aplica al cuerpo una fuente decorriente alterna con una frecuencia en el rango de 200 Khz. a 1 Mhz, con elpropsito de evitar la estimulacin del sistema neuromuscular. Las amplitudesde estas corrientes sinusoidales van desde 20 A a 20 mA, para lograr bajasdensidades de corriente y evitar el recalentamiento de los tejidos, lo quecambiara el valor de la impedancia de los mismos, ya que en condiciones

normales los tejidos se encuentran a una temperatura de 37.5 C.

Se utilizan 4 electrodos, dos conectan la fuente de corriente AC (no de voltaje)e inyectan esta al tejido bajo estudio y los restantes se ubican sobre el tejido eninvestigacin y se utilizan para medir la cada de tensin generada por lacorriente y la Z(t) del tejido. La figura siguiente, muestra la aplicacin de loselectrodos en la tcnica de bioimpedanciometra.


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La figura siguiente, muestra la grfica de la Z(t) torcica, la variacin de la mismacon respecto al tiempo dZ(t)/dt y su correlacin con la seal de ECG y la defonocardiografa (PCG).


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Una de las aplicaciones de la tcnica de bioimpedanciometra es la de medir elporcentaje de grasa corporal de un paciente, con el propsito de anlisisnutricional y de obesidad. La figura siguiente, muestra un medidor digital de grasacorporal comercial.

- SEALES BIOACUSTICAS

Muchos fenmenos biomdicos generan seales acsticas. La medicin yregistro de estas suministran informacin acerca del fenmeno que lo produce.

Por ejemplo, el flujo de sangre en el corazn o a travs de las vlvulascardiacas genera sonidos tpicos, cuya tcnica de estudio se denominaFonoCardioGrafa

(FCG). El flujo de aire a travs de las vas areas superiores e inferiorestambin produce ruidos acsticos, sonidos como la tos, ronquidos y sonidospulmonares se utilizan extensamente en medicina. La contraccin musculartambin produce sonidos (Fonomiografa).

Ahora bien, como la energa acstica se propaga a travs del medio biolgico,la seal bioacstica se puede adquirir en la superficie del cuerpo utilizando

transductores acsticos (micrfonos). La figura 40, muestra en la parte inferior,la seal acstica producida por la actividad del corazn correlacionada con laseal ECG, el volumen ventricular y la presin arterial. Se muestran tressonidos, denominados S1, S2 y S3 respectivamente, producidos durante unciclo cardiaco.


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- SEALES BIOMAGNETICAS

Varios rganos, como el cerebro, el corazn y los pulmones generan camposmagnticos extremadamente dbiles. La medicin y registro de tales campossuministra informacin no incluida en otras bioseales. Por ejemplo la tcnica para

medir los campos magnticos producidos por el corazn se denominaMagnetoCardioGrafa (MCG), la de los msculos se denomina MagnetoMioGrafa(MMG) y la del cerebro MagnetoEncefaloGrafa (MEG).

Debido al bajo nivel de los campos biomagnticos se deben tomar precaucionesextremas en el sistema de instrumentacin empleado para medir estas bioseales,ya que el solo campo magntico terrestre es un ruido de fondo.

La siguiente figura muestra los espectros de frecuencia de las seales MCG, MMGy MEG en comparacin con otros campos magnticos.


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El electromagnetismo, se basa en el principio de que toda corriente elctrica quecircula por un conductor produce un campo magntico, cuya intensidad esproporcional a la intensidad de la corriente. En la figura siguiente, se muestracomo las corrientes inicas que producen el campo elctrico de la actividadcardiaca (ECG Lead II), es la fuente del campo magntico cardiaco, que induce un

potencial elctrico en el transductor, que en este caso es una bobina.

La siguiente figura, muestra un equipo para adquirir las seales biomagnticasproducidas por la actividad cerebral (MEG).


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- SEALES BIOMECANICAS

Incluyen todas aquellas seales que se originan de una funcin mecnica delcuerpo humano. Algunas de estas seales son el desplazamiento, velocidad,aceleracin, fuerza, presin, flujo. El fenmeno mecnico, no se propaga, como

as lo hacen los campos magnticos, los elctricos y las ondas acsticas. Por logeneral, la medicin se hace en el sitio exacto donde se origina la sealbiomecnica. La figura siguiente muestra la medicin de la presin arterial aorticade forma no invasiva mediante el clsico brazalete. El examen de la presinarterial se usa para medir la fuerza con la que la sangre est siendo bombeadapor el corazn a travs de las arterias y la fuerza de stas a medida que resistenel flujo sanguneo.

La siguiente figura muestra la seal de presin ventricular, medida mediantemtodo invasivo.


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La siguiente figura muestra un modelo comercial empleado para medir la presinarterial de forma no invasiva.

- SEALES BIOQUIMICAS

Son el resultado de mediciones qumicas de los tejidos vivos o de muestrasanalizadas en el laboratorio qumico. Por ejemplo, la medicin de concentracin deiones dentro y fuera de la clula, por medio de electrodos especficos para cadaion, como tambin la presin parcial de oxgeno (pO2) y de dixido de carbono(pCO2) en la sangre o en el sistema respiratorio.La siguiente figura muestra un modelo comercial de un glucmetro, que es un

instrumento para efectuar el examen de glicemia que consiste en medir laconcentracin de azcar en la sangre, para el control de la diabetes.


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- SEALES BIOOPTICAS

Son el resultado de funciones pticas de los sistemas biolgicos que ocurrennaturalmente o inducidas para medicin. La oxigenacin sangunea puedeestimarse midiendo la luz transmitida y reflejada por los tejidos a distintas

longitudes de onda. Puede obtenerse informacin importante acerca del fetomidiendo la fluorescencia del lquido amnitico. El desarrollo de la tecnologa de lafibra ptica ha ampliado el espectro de medicin de estas seales.La figura siguiente muestra un modelo comercial para medir el porcentaje deglbulos rojos en las arterias que estn transportando oxgeno, a esta variable sele denomina saturacin de oxigeno (SpO2) y el equipo se denomina oxmetro depulso.

- SEALES BIOELECTRICAS

Su fuente son los potenciales de transmembrana celular, el cual ante ciertascondiciones puede variar para generar un potencial de accin. En medicionessobre clulas aisladas, donde se utilizan microelectrodos como transductores, elpotencial de accin es en s mismo la seal biomdica. En mediciones sobre

grandes grupos celulares, donde se utilizan electrodos de superficie comotransductores, el campo elctrico generado por la accin de muchas clulasdistribuidas en las vecindades de los electrodos constituye la seal biomdica.Las ms importantes y estudiadas son: Electrocardiografa (ECG): Actividad elctrica del corazn Electroencefalografa (EEG): Actividad elctrica del cerebro Electromiografa (EMG): Actividad elctrica de los msculos


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El campo elctrico se propaga a travs del medio biolgico, y as el potencialpuede adquirirse a distancia desde la superficie del sistema en estudio,eliminndose la necesidad de invadirlo. La seal bioelctrica utiliza electrodoscomo transductores ya que la conduccin elctrica en el medio biolgico es atravs de iones, mientras que en el sistema de medicin la conduccin es

mediante electrones. La figura siguiente muestra las seales ECG, tomadas conun Electrocardigrafo.

La siguiente figura muestra un modelo de un electrocardigrafo digital.


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La siguiente figura muestra las seales EEG, tomadas con unelectroencefalgrafo.

La figura siguiente muestra un modelo comercial de un electroencefalgrafo.


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La siguiente figura muestra una seal de EMG, tomada con un electromigrafovirtual.

La figura siguiente muestra un modelo comercial de un electromigrafo.


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CARACTERIZACION DE SEALES BIOMEDICAS

La siguiente tabla caracteriza las principales seales bioelctricas del cuerpohumano, en donde se considera su rango de amplitud, el espectro de frecuencia yel sensor utilizado para medirlas.

Caracterizacin de seales bioelctricas

instrumentacion biomÉdica-arqui

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