Instrumentación Medica

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<p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica INSTRUMENTACION MDICA</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>1</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica UNIDAD 1. INSTRUMENTACION DIAGNOSTICA JUSTIFICACION: Los equipos de medida y registro de bioseales tales como electrocardigrafos, electroencefalgrafos, electromigrafos, tensiometros, cardiotacmetros, pulsioxmetros, termmetros, etc., se encuentran ampliamente en el ambiente hospitalario y son el soporte tecnolgico para que a travs de sus medidas, el especialista medico pueda emitir el diagnostico del funcionamiento de un sistema o de un rgano del cuerpo humano, para entrar a implementar un determinado tratamiento o terapia. En vista de lo anterior el ingeniero electrnico debe estar en capacidad de: Entender el funcionamiento de tales equipos, para poder disearlos y calibrarlos, como tambin hacerles mantenimiento preventivo, correctivo y predictivo. Disear y construir cualquier otro sistema de bioinstrumentacin que le permita al medico e investigador biomdico tomar medidas significativas y exactas de variables biolgicas no tradicionales para lograr el avance de la ciencia medica y por lo tanto el mejoramiento de la salud humana. OBJETIVO GENERAL: Estudiar las tcnicas de ingeniera para el diseo de sistemas y/o equipos de instrumentacin electrnica que permitan adquirir, registrar, medir, analizar y hacer procesamiento anlogo o digital a cuerpo humano. OBJETIVOS ESPECIFICOS: Utilizar amplificadores de instrumentacin y filtros activos de circuitos integrados para el procesamiento anlogo de las bioseales. Disear instrumentos analogos. Disear instrumentos digitales con lgica programada. Aplicar los conceptos de instrumentacin para hacer medicin, registro, anlisis y procesamiento de bioseales procedentes del sistema cardiovascular: ECG (Electrocardiografa), FCG (Fonocardiografa), RC (Ritmo cardiaco). Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com 2 cualquier bioseal procedente del</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica BIBLIOGRAFIA: Medical Instrumentation. Applications and Desing. Jhon G Webster. Biomedical Transducer and Instruments. Tatsuo Togawa Biomedical Instrumentation and Measurement. Leslie Cromwell Introduction to Biomedical Engineering. Jhon D Enderle Handbook Biomedical Engineering. Vol. 1. Bioingenieria Tomo IV.Mauricio Wilches. Sensores y Acondicionadores de seal. Ramn Pallas.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>3</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica CAPITULO 1. INTRODUCCION A LA INGENIERA BIOMDICA 1.1 QUE ES LA INGENIERA BIOMDICA La Instrumentacion Medica es una disciplina propia de la Ingeniera Biomdica. Por lo tanto, es importante que el ingeniero electrnico que incursione en esta rea del conocimiento, al participar en grupos de Investigacin y Desarrollo de tecnologas medicas o trabaje instalando y manteniendo estos equipos, tenga una visin general de esta rea tan importante del conocimiento. Se puede entonces definir la Ingeniera Biomdica como la aplicacin de las Ciencias Exactas (Fsica y Matemticas) a la preservacin y mejoramiento de la salud del SER HUMANO. Su propsito es contribuir al progreso de la Medicina y al mejoramiento de la salud por medio de la tecnologa. Trabaja en estrecho contacto con la profesin mdica y al mismo nivel jerrquico. La figura 1 muestra algunas tecnologas mdicas utilizadas en el rea de ciruga.</p> <p>Figura 1. Tecnologas mdicas del rea quirrgica</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>4</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica 1.2 HITOS MODERNOS EN DESARROLLO DE TECNOLOGAS MEDICAS A continuacin se mostrar cronolgicamente los principales desarrollos de tecnologas biomdicas: 1895: W.K. Roentgen descubre los Rayos X (RX). Inicialmente los RX se usaron para diagnosticar fracturas y dislocaciones de huesos. Para 1930 con RX se podan visualizar prcticamente todos los rganos del cuerpo gracias al uso de sales de bario y a una gran cantidad de materiales radiopacos o de contraste. 1903: W. Einthoven, desarroll el primer electrocardigrafo para medir la actividad elctrica del corazn. Aplicando descubrimientos hechos en las ciencias aplicadas (qumica, fsica, ingeniera, fisiologa, microbiloga, farmacologa, etc) al anlisis de procesos biolgicos, se inici una nueva era en las tcnicas de medicina cardiovascular y mediciones elctricas. La figura 2, muestra una estampilla alusiva al centenario del inicio de la electrocardiografa.</p> <p>Figura 2. Estampilla del centenario de la ECG</p> <p>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.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>5</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica 1940: Los procedimientos mdicos de alto riesgo dependen mucho ms de la tecnologa mdica. Se desarroll la cateterizacin cardiaca y la angiografa, que consiste en la introduccin de una cnula a travs de la vena de un brazo hasta llegar al corazn inyectando un tinte radiopaco para la visualizacin del pulmn y los vasos y vlvulas del corazn. La figura 3 muestra el equipo para efectuar cateterismo cardiaco.</p> <p>Figura 3. Tecnologa para efectuar cateterismo cardiaco (www.cmcv.com)</p> <p>1945 adelante: Despus de la II Guerra Mundial. Los avances tecnolgicos fueron impulsados por la investigacin en el campo militar y el objetivo de establecer habitats en el espacio y en el suelo ocenico. Como un producto de esos esfuerzos, la profesin mdica se benefici pues se han estado desarrollando todos los das nuevos dispositivos, equipos y sistemas puestos al servicio de la salud. La figura 4 muestra diferentes tecnologas electrnicas aplicadas al campo medico.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>6</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica</p> <p>Figura 4. Tecnologas electrnicas de aplicacin mdica (Union Medical. USA)</p> <p>Los avances en la electrnica de estado slido, han hecho posible estudiar el comportamiento de la neurona, la unidad central del sistema nervioso, as como monitorear parmetros 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 biomdicos para mejorar la calidad de vida del hombre. La Medicina Nuclear una consecuencia de la era atmica, surge como una poderosa solucin 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 aceptado ampliamente que los estudios de ultrasonido son ahora parte de la rutina de diagnstico de muchas 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</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>7</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica sanguneos artificiales estn disponibles para reemplazar a corazones humanos enfermos. 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, para monitorear el estado del paciente en la unidad de cuidados intensivos y para entregar estadsticas sofisticadas de diagnstico de enfermedades potenciales correlacionndolas con juegos especficos de sntomas en pacientes. Al desarrollarse las aplicaciones mdicas del computador, se lleg a la escanografa de Tomografa Computada (TC), que revolucion los procedimientos de diagnostico no invasivo mediante imgenes mdicas, que incluyen ahora las Imgenes de Resonancia Magntica Nuclear (RMN) y la Tomografa por Emisin de Positrones. La figura 5 muestra un equipo de tomografa computada.</p> <p>Figura 5. Equipo de Tomografa Computada (www.imaxe.com.ar)</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>8</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica 1.3 OPORTUNIDADES DE INVESTIGACION Y DESARROLLO DE</p> <p>TECNOLOGAS BIOMDICAS Se presenta a continuacin diferentes reas de investigacin y desarrollo de tecnologas biomdicas, en donde el ingeniero electrnico desarrolla un papel importante al formar parte de los equipos multidisciplinarios que se conforman para tal fin. 1.3.1 INSTRUMENTACION DE MEDIDA Es la encargada de medir, registrar y almacenar cualquier variable fisiolgica de origen mecnico, hidrulico, neumtico, trmico, elctrico empleando la ms depurada tcnica de tratamiento de seales por procedimientos analgicos digitales (A/D). El monitor de signos vitales es el equipo ms representativo dentro del campo de la instrumentacion de medida. La figura 6, muestra un monitor de signos vitales de ltima generacin.</p> <p>Figura 6. Monitor de signos vitales (www.ultramedica.com.co)</p> <p>1.3.2 INSTRUMENTACION DIAGNOSTICA Clasificacin automtica de electrocardiogramas y electroencefalogramas. El computador se emplea como un sistema que procesa las seales, las clasifica y en base a pautas preseleccionadas es capaz de suministrar un primer</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>9</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica diagnstico, que el especialista analizar adecuadamente. La figura 7 muestra un sistema de electrocardiografa automatizada.</p> <p>Figura 7. Sistema de electrocardiografia automatizada (www.dremed.com)</p> <p>1.3.3 INSTRUMENTACION TERAPUTICA Es el campo de aplicacin donde ms se requiere la cooperacin mdicoingeniero. El mdico posee la idea del porqu, mientras que el ingeniero puede aportar la solucin al problema. Los desarrollos van desde el tratamiento de dolores incurables mediante estimulacin elctrica y de ultrasonido, hasta las tcnicas de electrociruga, desfibrilacin, lserterapia y litotricia. La figura 8 muestra un bistur electrnico.</p> <p>Figura 8. Bistur electronico (www.valleylab.com)</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>10</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica 1.3.4 INSTRUMENTACION DE IMAGENES MEDICAS Tecnologas de punta en equipos de diagnstico no invasivo de imgenes mdicas, como Tomografa Computada (TC), por Emisin de Positrones (PET) y por emisin de Fotones (SPECT), Resonancia Magntica Nuclear (RMN), Ecografa. La figura 9 muestra un equipo porttil de ecografa.</p> <p>Figura 9. Equipo porttil de ecografa (www.sonosite.com)</p> <p>1.3.5 INSTRUMENTACION PARA AYUDAS FUNCIONALES Denominada tambin Ingeniera de Rehabilitacin, consiste en todos los desarrollos que contribuyen a suplir una funcin defectuosa del organismo. Desde prtesis controladas por la actividad elctrica de los msculos hasta prtesis visuales implantadas en el cerebro, que permiten la percepcin de puntos de luz y sombras para los invidentes. Esta disciplina especializada recibe el nombre de Robtica Mdica. La figura 10 muestra a un discapacitado por amputacion de sus brazos con prtesis mioelctricas de brazo.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>11</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica</p> <p>Figura 10. Prtesis mioelctricas de brazos (http://weblog.mendoza.edu.ar/robotica)</p> <p>1.3.6 TELEMEDICINA Es el empleo de las telecomunicaciones y de la informtica (Telemtica) para el diagnstico, tratamiento y la atencin mdica de los pacientes. Implica el uso de la tecnologa de las comunicaciones como un medio para llevar servicios mdicos a lugares remotos. La figura 11 muestra la infraestructura necesaria para desarrollar telecirugas.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>12</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica</p> <p>Figura 11. Sistema de teleciruga de ltima generacin (www.nextgenmd.org)</p> <p>1.4 LA INGENIERA DEL CUERPO HUMANO Los mdicos inician el estudio del cuerpo humano desde la anatoma (estudio de la estructura o las partes que lo componen), la fisiologa (estudio de cmo funciona cada una de las partes) y la patologa (conocimiento de las enfermedades y como afectan a cada una de 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 esta 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 cuales son los sistemas que componen el cuerpo humano y como estn interrelacionados desde la ptica de la ingeniera. La figura 12, muestra el diagrama de bloques del cuerpo humano.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>13</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin MdicaSISTEMA NERVIOSO SNC COORDINACION E INTEGRACION SISTEMA INGESTA RESPIRATORIO SRO VENTILACION SISTEMA ENDOCRINO SEN SALIDAS</p> <p>I2SISTEMA GASTROINTESTINAL SGI SISTEMA SISTEMA</p> <p>I3</p> <p>CARDIOVASCULAR SCV</p> <p>I4</p> <p>RENAL SRN</p> <p>I1EXCRECION SISTEMA LOCOMOTOR SLM TEJIDOS SISTEMA REPRODUCTOR SRP EXCRECION</p> <p>Figura 12. Diagrama de bloques del cuerpo humano</p> <p>1.4.1 RELACION SISTEMA CARDIOVASCULAR - TEJIDOS A travs del intercambiador I1 (capilares sistmicos), el SCV suministra O2 y nutrientes a los tejidos y estos le entregan CO2 y otros productos de desecho. La figura 13 muestra el la anatoma del corazn.</p> <p>Figura 13. Anatomia del corazn (www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish)</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>14</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica</p> <p>La figura 14, muestra el sistema cardiovascular. Las arterias estn coloreadas en rojo y las venas en azul.</p> <p>Figura 14. Sistema cardiovascular (www.educa.aragob.es)</p> <p>1.4.2 RELACION ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR Y EL RESPIRATORIO 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 15 muestra la anatoma de los pulmones.</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz jorgequintero@bioingenieros.com</p> <p>15</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Instrumentacin Mdica</p> <p>Figura 15. Anatomia del pulmon (www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish)</p> <p>La figura 16, muestra la anatomia del sistema respiratorio.</p> <p>Figura 16. Anatoma del sistema respiratorio (www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish)</p> <p>Jorge Eduardo Quintero Muoz j...</p>