Bioinstrumentación 28 setiembre 2016

Sala de Operaciones del siglo XIX Sala de Operaciones del siglo XXI

DESARROLLO DE INSTRUMENTOS BIOMEDICOS 1895 Rayos X – W.K. Roentgen (primer equipo de imagenología del cuerpo) 1903 Primer electrocardiógrafo – William Einthoven (primera medición de electricidad del corazón) 1927 Respirador Drinker 1929 Primer electroencefalograma – Hans Berger (medición de las corrientes del cerebro) 1935 Uso de amplificadores para EEG – se descubrió que la corteza del cerebro lleva un ritmo especifico 1939 Primer Bypass Cardiovascular

Primer galvanometro de cuerda Primer galvanometro de cuerda. Puso dos electrodos (en las cibetas) en una persona y los ato a un cable de plata suspendido en dos huecos hechos en cada borde de un iman permanente. El cable de plata se movia ritmicamente con el ritmo cardiaco de la persona. Proyectando una pequena luz a traves del cable pudo dibujar el movimiento del cable como ondas en un papel continuo.

1940’s 1950’s 1960 1972 Cauterización Cardiaca Angiografía Microscopio de electrones 1960 Primer marcapasos implantable – W. Chardack y W. Greatbatch 1972 CAT (primer instrumento medico basado en una computadora)- muestra todos las estructuras internas de un plano del cuerpo

2000 Equipo de diagnóstico (ECG), de control de funciones fisiológicas (marcapasos). Equipo implantable.

Desarrollo de la tecnología en los últimos 40 años ha ido de la mano del desarrollo de los equipos médicos. Equipo medico Transmisión inalámbrica Computadoras Telemetría (monitoreo y control de viajes espaciales)

1750 1752 – Ben Franklin vuela el primer cometa en una tormenta 1774 – Walsh demuestra que la electricidad pasa por el cuerpo humano 1785 – Coulomb trabaja con las leyes de atracción 1791 – Galvani hace pruebas con “electricidad animal” 1800 1800 – Volta crea la primer batería 1820 – Oersted descubre el electromagnetismo. Ampere mide el efecto magnético del campo eléctrico 1826 – Ohm formula la ley de la resistencia eléctrica 1831 – Faraday y Henry descubren que un imán en movimiento induce una corriente eléctrica 1850 1860 – Maxwell presente las ecuaciones para las leyes de electricidad y magnetismo 1886 – Hertz descubre las ondas electromagnéticas 1895 – Roentgen descubre los rayos X 1900 1897 – Thomson descubre los electrones 1904 – Fleming descubre el tubo al vacio 1903 – Einthoven inventa el galvanómetro de cuerda 1909 – Milikan mide la carga de un electrón 1920’s – Se inventa la televisión 1929 – Franz Berger realiza el primer EEG 1935 – Amplificadores se utilizan para grabar EEGs 1948 – Primer computadora digital 1950 1948 – Transistores 1960 – Primer marcapasos implantable 1959– Primera computadora a base de transistores 1972 – Primer maquina CAT. Primer micropresador 1981 – Primer computadora personal 2000

Cómo se ha logrado este avance? Avances tecnológicos en otros campos (electrónica, espacial, etc.) Colaboración de médicos e ingenieros para desarrollar nuevas tecnologías de equipo médico (nacimiento del Ingeniero Biomédico) Inversión de gobiernos y empresas privadas en hospitales, investigación y desarrollo

Y EL FUTURO????? Diagnóstico temprano Acceso a zonas remotas Bajo costo Medicina de prevención Tratamientos específicos y genéticos Monitoreo remoto ……………….

SISTEMAS BASICOS DE INSTRUMENTACION

Qué es un instrumento? Equipo que se utiliza para obtener información sobre una cantidad física.

Qué es un bioinstrumento? Un equipo que se utiliza para obtener información de cantidades físicas de los organismos.

Funciones básicas necesarias Función indicadora Función de grabación Control

Cuál es la manera más sencilla de describir estos sitemas? Sensor Procesador Display / almacenamiento Variable fisiológica Observa- dor

Sensor Convierte energía de un tipo a otro tipo para recopilar información. Bajo voltaje.

Cualidades de los sensores Exactitud Estabilidad Baja interferencia con la variable fisiológica

Procesador Exactitud Estabilidad Confiabilidad No carga el sensor Provee suficiente señal de salida

Display / almacenamiento Presenta data instantáneamente y almacena data en un formato fácilmente leíble

Tipos de display Escala analógica Lectura digital

Tipos de display Parlante o alerta sonora Display de estado sólido LED

Tipos de almacenamiento De impresión contínua Tiras de papel con 1 variable en el tiempo Grabadora de tendencias (escala de tiempo más larga) Grabadora de eventos (on / off) Grabadora X – Y (2D, 2 variables)

Tipos de almacenamiento Grabación magnética Los datos se graban por campos magnéticos en discos

Tipos de almacenamiento Grabación fotográfica Impresora Memorias electrónicas Se guardan en circuitos integrados y se muestra bajo solicitud del usuario

Principales características de los bioinstrumentos Exactitud Precisión Fidelidad Calibración Relación señal a ruido

Exactitud y precisión Muy importante cuando el cambio Muy importante cuando dependo De valores instantáneos Muy importante cuando el cambio En algún dato es necesario

Precisión y(t) = T x(t) Salida y(t) Entrada x(t) Instrumento Función de transferencia T debe ser estable y constante para mayor precisión

Fidelidad El instrumento debe ser capaz de seguir los cambios en el tiempo, reproduciendo la variable fielmente Debemos conocer el factor de cambio máximo de la variable y su espectro de frecuendia

Calibración Revisión contra un estándar establecido Dependiendo de la estabilidad del equipo la frecuencia necesaria de la calibración

Mayor Exactitud -> Mayor relación señal-ruido Señal -> información sobre la variable medida Ruido -> otras señales observadas en el display Potencia de la señal Potencia del ruido Mayor Exactitud -> Mayor relación señal-ruido

S/N = 20 log10[voltaje señal / voltaje ruido] Cómo calcularlo? S/N = 10 log10 [potencia señal / potencia ruido] Cómo calculamos esa potencia?? P = V2 R S/N = 20 log10[voltaje señal / voltaje ruido]

Importante! Entre mayor sea la relación S/N mayor exactitud tenemos Por más que amplifiquemos una señal, si ésta está llena de ruido también estaremos amplificando el ruido Una buena relación S/N es de al menos 10,000

Modelo de bloques de un bioinstrumento

PROCESAMIENTO ANALOGICO Y CONVERSION DIGITAL CONTROL DE RETROALIMENTACION SENSOR CALIBRACION PROCESAMIENTO ANALOGICO Y CONVERSION DIGITAL PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL ALMACENAJE DE DATOS CONTROLADOR DISPLAY TRANSMISION DE DATOS OPERADOR SITIO REMOTO

SISTEMAS BÁSICOS DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICA Señal medida: cantidad, propiedad o condición a medir (señal bioeléctrica, mecánica, química). Sensor: convierten las señales físicas medidas en señales eléctricas analógicas (continuas). Señal de calibración: es una señal de amplitud y frecuencia conocida que se le aplica al sensor. Con esta señal se puede ajustar el sistema para tener el resultado correcto. Elemento de retroalimentación: recolecta datos fisiológicos y emite una respuesta sólo cuando es necesario (marcapasos, medidor de presión).

Modos de operación de los bioinstrumentos Directos vs. indirectos Discretos vs. continuos digital analógico Generalmente los sensores son analógicos, la señal es digitalizada por el procesador.

Ejemplos de usos de bioinstrumentos Bioelectricidad -> monitoreo cardiaco Biomecánica -> pruebas a tejidos Bioóptica -> terapias de radiación Biomateriales -> pruebas de biocompatibilidad Biosistemas -> determinación de propiedades de las células Imagenología médica

EJEMPLOS DE INSTRUMENTOS BIOMEDICOS

PET SCAN

ULTRASONIDO

MRI

MARCAPASOS

PROTESIS

RE-WALK

PROTESIS COCLEAR

EQUIPO ODONTOLOGICO

Actividad Escoja alguno de los bioinstrumentos de las filminas anteriores y dibuje el diagrama de bloques correspondiente.

Qué es importante saber para el examen?

Cosas para repasar… Qué es parte de la Ingeniería Biomédica? Identificar equipos / avances Cuestionamientos éticos para las distintas áreas de la Ingeniería Biomédica Cálculos de elasticidad y viscosidad Curvas Fuerzas que influyen en la locomoción, y en los movimientos Proceso de diseño de prótesis mecánicas Descripción mecánica del sistema cardiovascular y cálculos de flujo / Resistencia / Presión Consideraciones de los biomateriales Reacciones de coagulación y de cuerpo extraño Procesos de la ingeniería de tejidos, diferentes aplicaciones Diagrama de bloque de los bioinstrumentos SNR Identificar componentes de un bioinstrumento Comprar señales e instrumentos entre sí