Facultades de Medicina e Ingeniería Ingeniería Biomédica Curso agosto a noviembre 2009 nib Facultades de Medicina e Ingeniería Franco Simini Daniel Geido Jorge Lobo Marcelo David Y docentes invitados www.nib.fmed.edu.uy

Ingeniería Biomédica Ingeniería: concepto y realización de soluciones cuantificadas, seguras y documentadas. Medicina: acompañamiento de la vida para contrarrestar lo indeseable científica y sensiblemente. I. Biomédica: contribuye a la medicina en equipamiento, métodos y prótesis.

Ingeniería Biomédica Marco actual: Gasto en Salud: 10% del PBI Reorganización del sector: SNS Impulso al “Uruguay productivo” MERCOSUR

IB

Ingeniería Biomédica Tipo de actividad Proyecto de equipos y programas Instalaciones y su mantenimiento Integración en investigación fisiológica Control de calidad (sistemas telemáticos) Evaluación (equipos, compras, eficiencia)

Ingeniería Biomédica Particularidades respecto a instrumentación eléctrica Magnitudes pequeñas Frecuencias bajas Dificultad de acceso (transductores) Variabilidad biológica Complejidad de interacción biológica Preservar la seguridad del paciente

Ingeniería Biomédica Particularidades respecto a computación clásica Muchos datos (cf. tarjeta crédito/débito) Imágenes y señales Conexión con equipos clínicos Privacidad información médica

Curso de Ingeniería Biomédica Finalidad formativa Fundamentos de algunos mecanismos fisiológicos Enfoque interdisciplinario para proyectar equipos biomédicos Seguridad del paciente y del operador en equipos e instalaciones Programación y sistemas telemáticos

Ingeniería Biomédica Clasificación de instrumentos biomédicos por magnitud estimada (pres., temp., etc.) por principio físico (R, US, electroquím.) por sistemas (cardiov., SNC, pulmon.) por especialidad (CTI, radiología, etc.) sostiene vida / diagnóstico / prótesis por magnitud estimada imágenes / señales

Ingeniería Biomédica varios enfoques en este curso: Ingeniería (electrónica, informática) Fisiología Medicina Gestión

Ingeniería Biomédica Enfoque desde la Ingeniería Tareas de proyecto Tecnologías integradas Evaluación de costos y beneficios Investigación

Ingeniería Biomédica Enfoque desde la Ingeniería Electrónica Instalaciones eléctricas Fluidos, etc. Programación Telemática

Ingeniería Biomédica Enfoque desde la Fisiología Célula y potenciales eléctricos Sistemas (renal, cardio, resp, etc.) Sistemas de regulación Investigación

Ingeniería Biomédica Enfoque desde la Medicina Concepto de prueba diagnóstica Prótesis Acciones terapéuticas Instrumentos para ejercer la medicina Confidencialidad de la historia clínica

Ingeniería Biomédica Enfoque desde la Gestión Gestión de mantenimiento Gestión de Tecnologías integradas Evaluación costo/beneficio de procedimientos diagnósticos Investigación con fin práctico

IB

Ingeniería Biomédica Aproximación por medio de ejemplos

Electrodo Estimulador Llave

BiliLED

Generador de NO2 óxido nítrico (vasodilatador, no confundir con NO óxido nitroso, anestésico)

TACONATAL

VESTI 90

CCC del Uruguay

PESOPAC

IMPETOM reconstrucción tomográfica sobre datos de impedancia eléctrica

Dado de datos, para Holter SEÑALES BIOLOGICAS: Del cuerpo del paciente, 7 electrodos adquieren las señales eléctrocardiográficas PROTOTIPO DEL EQUIPO PORTATIL Componentes analógicos y digitales procesan las señales TARJETA DE MEMORIA REMOVIBLE (MultiMedia Card) Transporte de datos Clasificación y análisis gráfico de los datos en un computador DESCARGA DE DATOS AL PC

Lámpara de hendidura con procesamiento de imágenes saca fotos y muestra en pantalla lo que ve el médico

Cirugía robótica ZEUS

Tomografía por emisión de positrones (PET) de Budinger, T. F Tomografía por emisión de positrones (PET) de Budinger, T. F.,VanBrocklin, H. F. Positron-Emission Tomography (PET) The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition.Ed. J. D. Bronzino Boca Raton: CRC Press LLC, 2000

Accelerador lineal, Tbó.

Ing. Biom. / Mec. ventilatoria modelo transductores adquisición circuitos procesamiento presentación resultados

Ing. Biom. / Tom. Impedancia problema de evaluación indirecta medida impedancia (IMPEMAT) circuitos distribuidos en perímetro reconstrucción tomográfica circuitos y programas presentación procesamiento de imágenes

Ingeniería Biomédica Ejemplo: Proyecto de la alimentación de dispositivos implantados (marcapasos) Goto et al. IEEE Trans. BME julio 2001

Ing. Biom. / Sistemas de información Control de calidad de la atención Historia clínica Distribución de datos e información (carnet) Accesibilidad de datos e indicadores (WAP) Modelos de datos adaptados

REDIENTE Num: Fecha: Buscar REDIENTE Pacientes Indicadores Agenda

Ing. Biom. / Fuente implantable aspectos biológicos piel 37 º - calentar menos de 2º transmitancia de la piel aspectos físicos 3V constantes día de sol 100 mW/cm2 duración, interferencias EM

Ing. Biom. / Fuente implantable proyecto exterior: infrarrojo cercano (NIR) 810 nm fuente láser, colimador, 20 mW/cm2 implantado: fotodiodos en serie 0.6 A/W, 2 cm2 , diodo batería Li recargable

Ing. Biom. / Fuente implantable verificación biológica fotodiodos cubiertos con película transm. 92% piel del ratón 0.8 mm fotodiodos subcutáneos con contactos exter. medida de transmitancia de la piel rata: 64% medida de aumento de T < 2º

Ing. Biom. / Fuente implantable verif. física: test de carga batería implantada carga con marcapasos 65 lpm, -5V, 0.4 ms corazón: resistor 470 Ω, 15 minutos eficiencia de conversión PV.I / PLi = 20% volt.: 2.76 V + 0.10 V corriente de carga 1.7 mA

Ing. Biom. / Fuente implantable verificación global prevista marcapaso 20 µA, 24 h son 0.48 mAh (son 17 min a 1.7 mA) descarga de 0.48 mAh implica ∆V=0.6 mV bat de Li es 2.8 V, cambia cuando 2.0 V 60 000 ciclos con descarga 0.5% (0.48 mAh) son 100 años, lo que permite recarga no diaria

Ing. Biom. / Fuente implantable ajustes para humanos piel transmite 10%-20% (no 64%) entonces 10 cm2 de fotodiodos luz solar con filtros

Ing. Biom. / Fuente implantable Recapitulación: circuito electrónico batería Li marcapasos biología de la piel óptica métodos de medida ==> solución de Ingeniería Biomédica

Ingeniería Biomédica Otros ejemplos de problemas a resolver: Registrar las salvas de succión de un RN Desplegar señales de un paciente en CTI Estimar el volumen de agua en el pulmón Evolución del peso del paciente en cama Desarrollar sistemas de historias clínicas Dar un ratón a un niño sin brazos

Ing. Biom. / Fuente implantable Dispositivo que reciba radiación lumínica a través de la piel Fuente de luz externa Calibración

IB

nib Actividades: maestría proyectos de fin de carrera - módulos de taller convenios, proyectos, transferencia tecnológica investigación asesorías Seminario de Ing. Biomédica Curso de Imágenes Médicas Curso de Seguridad Eléctrica para EUTM Curso de Ing. Biomédica pasantías y concursos 2009

1. maestría - ejemplo de contenidos: Preparación y enseñanza de curso “Electricidad Seguridad” EUTM 8 cr Pasantía en Laboratorio de Exploración Respiratoria 45 horas 3 cr. Curso “Aspectos físicos de PET” Prof. Hans Lundqvist, en CIN 3 cr Estudio e instalación en HC de un prototipo de tomógrafo 45 horas 3 cr Curso Fundamentos de Biología para Ingenieros, Fac. Ciencias.4 cr. Proyecto “Interconexión de equipos en departamento obstetricia” 8 cr Curso de Procesadores Digitales de Señales (DSP),. 60 horas, 8 cr. Pasantía de Gestión de Mantenimiento en el Hospital Saint Bois 5 cr. Curso Imágenes Médicas: 90 horas, 6 créditos. Tesis: “Sistema de reducción del espacio muerto en ventilación asistida de recién nacidos”. 40 créditos.

2. proyectos de fin de carrera Se desarrolla un prototipo si contiene algo de original recursos disponibles grupo clínico que lo define y lo usará grupo de desarrollo Hay prioridad si existen perspectivas de transferencia a la industria

2. proyectos fin de carrera, módulos taller Proyectos disponibles: PREMAX presión respiratoria máxima * SIMPAC simulador de paciente para ventiladores SIMVENT simula con fuelle y motores un paciente con dificultades respiratorias TACONATAL ritmo cardíaco del RN * CALORNAT control de temperatura * PANTOJO movimiento de prótesis ocular CERMON rutina de prueba de distorsión y su corrección en monitores de imágenes NEFROVOL Volumen renal en base a ecografía (poliquistosis)

2. proyectos fin de carrera, módulos taller Proyectos en desarrollo: ABDOPRE campana para reducir la presión abdominal de un paciente. (En perfeccionamiento) IMPETOM reconstrucción tomográfica de impedancia eléctrica detectada externamente para mostrar imágenes de agua en el pulmón (4 proyectos encadenados, ahora TESIS MAESTRIA) TRAUMAGEN acceso a imágenes del paciente traumatizado en internet con historia clínica

2. proyectos fin de carrera, módulos taller Módulos de Taller definición de dispositivos para rehabilitación neuropediátrica 2004 duplicar un prototipo existente, BiliLED 2005 elección de componentes para dispositivo experimental en Farmacología disponible fuente de poder para transducción presión 2006 Duplicación PREMAX para Paysandú 2008 Calibración de PESOPAC Ajustes de PREMAX Pasantía interna en Hosp. Tbó y St Bois ver sitio www.nib.fmed.edu.uy

3. convenios, proyectos, transf. tecnológica FNR fondo nacional de recursos -verificación de seguridad de equipos e instalaciones REDIENTE (Fac. Odontología) SICRASH-LEFA seguimiento pacientes acc. tránsito CERMON (OpenDICOM SRL) certificación de monitores para diagnóstico médico BiliLED fototerapia neonatal SITEM (MSP historia clínica de equipos) *

3. convenios, proyectos, transf. tecnológica PASOS de una TRANSFERENCIA TECN. Prototipo exitoso Negociación con una empresa Convenio para la adaptación y fabricación / certificación HISTORIA MECVENT 1987 – 1995 3 ejemplares Intento EUREKA (DDD, PESOPAC, etc.) 2002-2004 PREMAX no salió, disponible 2006 BiliLED - CONTROLES S.A. presente en mercado CE

4. investigación línea de IMPETOM línea respiratoria (MONICLI, SIMVENT) línea instrumentación (pres. intraabd., ventilador) seguridad de equipos (ISO, marca CE, etc.) instalaciones y control de calidad (FNR) línea sistemas (SICTI, REDIENTE, SICRASH) asociarse a una necesidad de grupo clínico

Señal de succión del RN

Equipo de registro de succión del RN

5. asesorías Fisiopatología Otros servicios del HC Pliegos de licitación de compras de equipos Departamento de Farmacología del HC para adquisición de instrumentación

6. Seminario Instancia Informativa Realizaciones concretas Invitados de la UR y de la industria Trabajo personal del estudiante

7. Curso Imágenes Médicas Instancia Formativa Principios de formación de imágenes (eco, Rx, RM, PET) Enfoque de proyecto de los instrumentos Gestión de imágenes (DICOM)

8. Curso Seguridad Electr. EUTM Instancia Formativa Clases con enfoque fisiológico y enfoque de proyecto Trabajos prácticos del estudiante (diálogo del estudiante con personal médico)

9. Curso Ing. Biomédica Instancia Formativa Clases con enfoque fisiológico y enfoque de proyecto Trabajos prácticos del estudiante (diálogo del estudiante con personal médico)

10. pasantías y concursos Ayudante grado 1, Fac Med. Internado Ingeniería Biomédica (ASSE)

Resultados desde 1985 25 prototipos, 5 sistemas 68 profesionales con proyecto fin de carr. 13 docentes 18 ciclos de seminario 13 cursos IB, un curso Imágenes, uno EUTM coop. Fac. Ciencias, CCEE, Artes espacio interdisciplinario UR

Espacio Interdisciplinario UR Enfoque y aportes de varias disciplinas para resolver un problema Carreras compartidas Enfrentarse a problemas grandes y globales Embrión de la nueva UR

Oportunidades de trabajo Mantenimiento: Hospitales y Sanatorios Empresas que venden equipamiento Desarrollo y fabricación Empresas (local y para exterior -ver CCC-) Universidad Investigación Universidad (Fac. Ing, Med, Vet, Ciencia, HC, etc.)

Curso 2009 - 1/2 Introducción a la Ingeniería Biomédica. Ejemplos de proyectos y actividades. Clasificación de equipos, características del proyecto de equipos normativas de seguridad, modelo general de equipo biomédico. Organización del curso 2009. Conducción eléctrica tisular: Potencial de membrana celular. Tejido excitable, potencial de acción y su propagación. Funciones que cumple el sistema de automatismo y conducción cardíaco en condiciones fisiológicas Electrocardiografía Sistema de conducción eléctrica del corazón, ECG cardiodesfibriladores Seguridad eléctrica del paciente y del operador. Efectos nocivos de la electricidad sobre el cuerpo humano, instalaciones eléctricas, distribución en hospitales. Criterios de proyecto y seguridad, Norma IEC60601. Protocolos e informes de pruebas. Cardiovascular. Anatomía y fisiología del sistema cardiovascular. Los dos circuitos: el mayor y el menor. Movimiento de sangre en el corazón. Presión sistólica y diastólica. Medidas de presión sanguínea: transductores. Gasto cardíaco y métodos para su medida. Renal Fisiología renal. Funciones de filtración, reabsorción y secreción. Insuficiencia renal. Biofísica de la hemodiálisis. Diálisis peritoneal. Tratamiento de agua para hemodiálisis. Hemodiálisis. Intercambio transmembrana. Hemodiálisis y composición del baño. Proyecto de un equipo de diálisis. Seguridad en la hemodiálisis. Período de primeros parciales

Curso 2009 - 2/2 Respiratorio. Modelo de pulmones, resistencia pulmonar, complacencia pulmonar, bucles de presión-volumen y presión-flujo, medidas de trabajo respiratorio. Métodos de medida y transductores de flujo aéreo. Proyecto de equipos de medida de parámetros de la mecánica ventilatoria. Ventiladores. Parámetros ventilatorios. Tipos y generaciones de ventiladores. Modos controlado, asistido y espontáneo. Modos de control: por volumen, por presión y otros. Elementos para el proyecto de ventiladores. Pulmones artificiales y simuladores. Marcapasos. Tipos de marcapasos y desfibriladores. Sistema de automatismo y conducción cardíaco en condiciones fisiológicas. Elementos funcionales activos y de protección de un marcapaso.Elementos de proyecto de un marcapasos. Teoría de electrodos. Interface electrodo electrolito, polarización. Electrodo Ag/AgCl. Equivalente eléctrico de un electrodo. Tipos de electrodos internos, externos, microelectrodos y patch clamp. Electrobisturies. Teoría. Modos monopolar y bipolar. Proyecto del generador de RF, tipos de electrodos y de placas. Normas de seguridad. Proyecto de equipos biomédicos y gestión mantenimiento. Etapas de proyecto Responsabilidad del fabricante hasta el usuario. Vínculos entre uso, investigación y desarrollo de equipos. Oportunidades para Uruguay y la región. Recapitulación del curso

Cuatro prácticas Ing. Biom Proyecto e implementación de un amplificador de ECG no aislado, medidas de corrientes de fuga y adquisición digital de la señal. Proyecto e implementación de la aislación del amplificador de ECG. Pruebas de seguridad en equipos médicos. Tratamiento digital de señales de ECG y EMG. Adquisición y tratamiento de señales de flujo y presión aéreos.

Organización Curso de Ing. Biomédica 2009 14 clases de 2 hs martes 17:30, salón 001. Asistencia obligatoria (se permitirán solo 2 faltas justificadas). Ver cronograma www.nib.fmed.edu.uy 4 prácticas de laboratorio de 4 hs cada una en el NIB, HC piso 15 sala 2. Para aprobar el laboratorio se asiste a las cuatro prácticas y preparar el preinforme. Realizar el trabajo de cada práctica. Entregar el informe. Control de preinformes: se verifica que el estudiante haya preparado la práctica y que tiene los conceptos necesarios para su aprovechamiento. Sin eso no la puede realizar. Informes: se entregan hasta 1 semana después de realizada la práctica. El Curso prevé una dedicación de 28 horas de clases, 16 horas de laboratorios, 46 horas de estudio personal, Total: 90 horas 6 créditos.

Conocimientos previos: Grado: aprobado Sistema Lineales y Medidas Eléctricas, se sugieren además haber cursado Electrónica I y II, y Muestreo y Procesamiento Digital. Postgrado y Actualización: conocimientos de electrónica, medidas eléctricas y tratamiento de señales (Matlab). Bibliografía: Libro “Ingeniería Biomédica – Perspectivas desde el Uruguay” realizado por el NIB (2007). “Medical Instrumentation”, Segunda (1992) o Tercera (1998) Edición de John.G. Webster. Anexos para las prácticas, ver libro cap. 20. Diapositivas de clase, bajar del sito. Evaluación: 3 instancias de seguimiento del estudiante y una instancia oral final: 2 pruebas parciales escritas de 40 puntos cada una. 4 prácticas de 20 puntos en total.  El estudiante que obtenga más de 60 puntos en la suma es admitido para la instancia oral, en la cual la mesa resuelve la aprobación de la asignatura.

Núcleo de Ingeniería Biomédica Fac. de Medicina e Ingeniería www.nib.fmed.edu.uy