Algunas Aplicaciones de Control en Medicina Miguel Ríos Bolívar Departamento de Sistemas de Control Escuela de Ingeniería de Sistemas Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería

¿Qué es CONTROL? Sistema de Control de Lazo Cerrado (realimentado) + _ Actuador Sistema de Control de Lazo Cerrado (realimentado) Proceso Respuesta Deseada Salida + _ Sensor Control = medición+cálculo+actuación

Control en Sistemas Biológicos Los avances en biología molecular de las últimas dos décadas han permitido: Establecer experimentalmente las relaciones causales entre procesos iniciados por moléculas individuales (en una célula) y sus efectos fenotípicos macroscópicos en células y organismos. Proveer conocimientos detallados sobre la importancia de las redes y rutas responsables de la funcionalidad básica y robustez de los sistemas biológicos. Crear nuevas oportunidades para el desarrollo de herramientas cuantitativas y predictivas para modelación y simulación.

Control en Sistemas Biológicos (cont.) El campo de los sistemas biológicos combina enfoques y métodos de la ingeniería de sistemas, biología computacional, estadística, genómica, biofísica y otros campos para ayudar a comprender redes biológicas complejas. En particular, los métodos de la ingeniería de sistemas permiten caracterizar el rico comportamiento dinámico exhibido por los sistemas biológicos. El mecanismo de adaptación perfecta presente en los sistemas biológicos ha sido dilucidado e interpretado en términos de ingeniería de control clásico: realimentación integral (robusta y adaptativa)

Control en Sistemas Biológicos (cont.) Los sistemas de control naturales son parangones de la optimización, las arquitecturas de redes biológicas han sido perfeccionadas para lograr regulación automática robusta de una variedad de procesos a nivel de genes, proteínas, células y sistemas completos. Uno de los retos de investigación en sistemas consiste en develar el control jerárquico y de múltiples escalas de tiempo que logra desempeño robusto ante perturbaciones estocásticas. Una de las características más sobresalientes de la complejidad altamente evolucionada es la coexistencia de robustez extrema y fragilidad (alta sensibilidad a perturbaciones). Un ejemplo de colaboración entre ingenieros de control y biólogos es la quimiotaxis, fenómeno en el cual las bacterias y otras células de organismos celulares dirigen sus movimientos de acuerdo a ciertas sustancias químicas en su medio ambiente (Ej. Feromonas).

Control en Sistemas Biológicos (cont.) El campo de los sistemas biológicos aborda con un enfoque interdisciplinario el estudio de las complejas interacciones no triviales de las redes biofísicas: regulación genética, interacciones entre proteínas, las redes metabólicas de organismos y el acoplamiento de organismos en ecosistemas. Ejemplos de redes biofísicas complejas son Redes del ritmo circadiano, asociado a eventos biológicos que se repiten aproximadamente cada 24 horas (Ej. Jet lag). Apoptosis, mecanismo de muerte programada de la célula, utilizado por la naturaleza para aniquilar, estratégicamente, las células infectadas y no requeridas. Ruta de señalización de la insulina, secuencia de acciones que se inicia cuando la insulina se une a un receptor sobre la superficie de la célula, regulando el nivel de glucosa.

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos Con los avances en ingeniería, la miniaturización y la creciente capacidad computacional, se ha hecho posible el aprovechamiento de las herramientas de control y automatización en el campo médico. Un ejemplo común de automatización en medicina es el marcapasos, con la implantación mundial de un cuarto de millón de unidades por año. Los dispositivos actuales incluyen: algoritmos de diagnóstico para análisis a tiempo real, respuesta adaptativa (control), y capacidad de programación.

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos La práctica médica, en un sentido amplio, es una disciplina que se basa en encontrar soluciones factibles a problemas de bio-sistemas complejos (control basado en modelos).

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos La Fármaco-Cinética (FC) es el estudio de la administración, distribución y eliminación de drogas en el cuerpo. Para capturar la dinámica, después de la dosificación de drogas, se emplea el modelo de compartimientos:

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos El modelo matemático para dos comportamientos puede escribirse: D(t): dosis administrada x1(t),x2(t): masas de droga k12,k21: tasas de transferencia entre compartimientos kcl: tasa de eliminación de la droga V: volumen del compartimiento central y(t): concentración medida de la droga

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos Con la potencia computacional actual, simular modelos fisiológicos de administración y distribución de drogas es una tarea simple y directa En un modelo basado en fisiología, cada bloque representa una ecuación diferencial ordinaria que caracteriza la concentración en un tejido o fluido particular. La utilidad de estas estructuras es de mayor potencial benéfico cuando se evalúan efectos Fármaco-Dinámicos (FD). A diferencia de los modelos de compartimientos, el modelo fisiológico también permite asignar los efectos de la droga a sus correspondientes espacios de acción fisiológica.

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos Modelo Fisiológico para una aplicación de quimioterapia de cáncer

Modelado y Control de Sistemas Biomédicos Una herramienta empleada comúnmente en el diseño de tratamientos basados en modelo, para sistemas biomédicos, es el control óptimo. Una forma de aprovechar el control basado en modelo y las técnicas de optimización es utilizar control predictivo de modelo (MPC)

Control de la Diabetes Tipo I

Control de la Diabetes Tipo I

Radio y quimioterapia de Cáncer El Cáncer es un conjunto de enfermedades que resultan de una serie de mutaciones genéticas y se caracterizan por un desbalance entre la proliferación de células y la apoptosis. La radioterapia (RT) se utiliza en lugar de la cirugía debido a que el tejido circundante al tumor es demasiado sensible para permitir la incisión quirúrgica (ej., tumores localizados cerca de la columna espinal). Todos los tratamientos de cáncer se complementan con quimioterapia (QT) sistémica, para atacar las lesiones metastásicas antes de sus diagnóstico clínico.

Radio y quimioterapia de Cáncer Un avance clave en RT, que requiere componentes importantes de automatización, fue el desarrollo de la modulación de intensidad en las fuentes de radiación. Una fuente de acelerador lineal suministra radiación modulada para aplicar dosis óptimas de radiación al volumen de tejido blanco (modelo matemático basado en física de radiación).

Robots en Medicina Los sistemas robóticos integrados en aplicaciones médicas son diseñados para ayudar y asistir al ser humano (paciente u operador), cumpliendo con las leyes de la robótica (Asimov, 1942).

Robots en Medicina Los robots médicos han sido clasificados de acuerdo a las siguientes categorías: pasivos, semiactivos y robots activos (reflejando el nivel de autonomía de los mismos). En la categoría semiactiva, el robot actúa como un asistente durante la operación, manteniendo una herramienta en una posición estacionaria para servir de guía precisa en la cirugía (ej. el robot miniatura Mazor que asiste en cirugía de columna).

Robots en Medicina Los sistemas robóticos activos realizan tareas quirúrgicas con autonomía y sin intervención del cirujano, tales como taladrado o esmerilado. Los robots médicos más usados hoy día son los manipuladores remotos (telecirugía), que pueden ser operados desde una localización remota sin que el cirujano se encuentre en quirófano.

Robots en Medicina Los navegadores quirúrgicos son robots médicos que incluyen mecanismos de planificación pre-operatoria, permitiendo cirugías virtuales en una pantalla, con datos tomados del paciente por TC y/o IRM. Una nueva versión de navegadores médicos usa el concepto de solapamiento de imágenes. Mediante esta técnica se superponen imágenes computarizadas e imágenes del mundo real (realidad aumentada), por proyección de objetos virtuales en la escena real.

Automatización de Hospitales La automatización es muy común en la actualidad (ej., cajeros automáticos, lectores de códigos de barra, comunicaciones inalámbricas) Habitualmente, los pacientes visitan diferentes servicios médicos pero, sin un registro digitalizado, los galenos pierden la “fotografía completa” de la historia médica del paciente. Los registros electrónicos ayudarían a incorporar alertas importantes y oportunas. Automatizar el registro de la prescripción médica ayudaría a evitar los riesgos asociados a las escrituras ilegibles. Además, automatizar el suministro de drogas ayudaría a satisfacer los “cinco correctos”: el paciente correcto recibe la dosis correcta de la droga correcta, a través de la via correcta y en el instante correcto.

Automatización de Hospitales La informática médica requiere avanzar más allá de la gerencia de información: adquirir, almacenar y transferir datos, al nivel de gerencia del conocimiento: la habilidad para sintetizar y aplicar los datos disponibles y, de esta manera, transformar la práctica médica.

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