Instrumentación Biomédica Básica - Conceptos Básicos - 2024

Instrumentación Biomédica Básica I. Conceptos básicos de instrumentación biomédica Dr. Bersaín A. Reyes Licenciatura en Ingeniería Biomédica Semestre 2024 – 2025 I Temario I.1. Ingeniería biomédica I.2. Historia...

Instrumentación Biomédica Básica I. Conceptos básicos de instrumentación biomédica Dr. Bersaín A. Reyes Licenciatura en Ingeniería Biomédica Semestre 2024 – 2025 I Temario I.1. Ingeniería biomédica I.2. Historia de la instrumentación biomédica moderna I.3. Sistema de instrumentación biomédica I.4. Modos operacionales de los instrumentos biomédicos I.5. Restricciones en los instrumentos biomédicos I.6. Clasificación de los instrumentos biomédicos 2 Ingeniería Biomédica 3 Ingeniería Biomédica Disciplina orientada a la aplicación de principios de la ingeniería eléctrica, mecánica, química, óptica, entre otras para Comprender Sistemas biológicos Modificar Humanos Controlar Animales Diseñar Dispositivos médicos Implementar Monitorear funciones fisiológicas Utilizar Asistir en el diagnóstico y tratamiento 4 Ingeniería Biomédica Campo interdisciplinario vital para buscar nuevas soluciones a los difíciles problemas de salud que enfrenta nuestra sociedad. Instrumentación biomédica Imagenología médica Ingeniería clínica Biomateriales Dispositivos prostéticos Ingeniería de tejidos Informática médica Biotecnología Bioinformática Biomecánica Análisis biológico y médico Modelado fisiológico Bionanotecnología Órganos artificiales 5 Ingeniería Biomédica Las actividades del ingeniero biomédico incluyen: – Aplicación métodos de análisis de sistemas (modelado, simulación, control) – Detección, medición y monitoreo de señales fisiológicas – Interpretación diagnóstica vía técnicas de procesamiento de señales – Procedimientos y dispositivos para rehabilitación y fines terapéuticos – Dispositivos para el remplazo y aumento de funciones corporales – Análisis computarizado de datos médicos y toma de decisiones clínicas – Despliegue adecuado de detalles anatómicos y funcionales del cuerpo – Creación de nuevos productos biológicos – Desarrollo de nuevos materiales de uso intracorporal 6  Historia de la instrumentación biomédica moderna 7 Historia de la instrumentación biomédica 1752 – Ben Franklin vuela su cometa en la tormenta 1774 – John Walsh prueba el paso de electricidad a través del cuerpo 1791 – Galvani publica sus hallazgos sobre la “electricidad animal” 1800 – Volta construye la primera batería 1820 – Oersted descubre el electromagnetismo Ampere mide el efecto magnético de una corriente eléctrica 1860 – Maxwell desarrolla las leyes de electricidad y magnetismo 1895 – Roentgen descubre los rayos-x 1750 1800 1850 1900 1950 2000 1897 – Thomson descubre los electrones 1886 – Hertz descubre las ondas electromagnéticas 1831 – Faraday encuentra que un imán en movimiento puede inducir una corriente eléctrica 1826 – Ohm formula la ley de la resistencia eléctrica 8 1785 – Coulumb desarrolla las leyes de atracción entre cuerpos cargados Historia de la instrumentación biomédica 1972 – Construcción del primer TAC 1960 – Chardock y Greatbatch crean el primer marcapasos implantable 1948 – Disponibilidad de los transistores 1935 – Empleo de amplificadores para registrar EEG 1929 – Berger registra el primer EEG 1903 – Einthoven descubre el galvanómetro 1750 1800 1850 1900 1950 2000 1904 – Fleming inventa el tubo de vacío 1909 – Millikan mide la carga de un electrón 1920 – Invención de la televisión 1948 – Construcción la primera computadora a gran escala 1959 – Primera computadora basada en transistores 9 1981 – Introducción de la primera PC IBM  Sistema de instrumentación biomédica 10 Sistema de instrumentación biomédica Sensor Calibración Procesamiento Mesurando Analógico Convertidor A/D Control y Procesamiento Almacenamiento Retroalimentación de Señales de Datos Despliegue de Transmisión de Datos Datos 11 Sistema de instrumentación biomédica Mesurando 12 Sistema de instrumentación biomédica Mesurando Cantidad física, propiedad o condición que mide el sistema. Interior del cuerpo Accesibilidad del mesurando Superficie corporal Emanar del cuerpo Derivada de una muestra La mayoría de los mesurandos médicos pueden agruparse en: Biopotenciales Impedancia Presión Temperatura Flujo Dimensiones Desplazamientos Concentraciones químicas 13 Sistema de instrumentación biomédica Sensores Transductor: Dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Sensor: Convierte un mesurando físico en una salida eléctrica. Características deseables de los sensores: – Responder únicamente a la forma de energía del mesurando – Poseer una interface que minice la energía extraída del sistema – Mínimamente invasivo Pueden poseer dos elementos: – Sensado primario – Conversión de la variable Pueden requerir una fuente de alimentación eléctrica. 14 Sistema de instrumentación biomédica Acondicionamiento de la señal La salida de los biosensores son señales analógicas que no pueden acoplarse directamente al dispositivo de salida. Por ello, dicha salida es enviada a: – Sistemas de procesamiento analógico Acoplamiento de impedancias, amplificación, filtrado – Sistemas de conversión analógica/digital Digitalización: muestreo y cuantización – Sistemas de procesamiento digital Filtrado, análisis espectral, descomposición, etc. 15 Sistema de instrumentación biomédica Despliegue de datos Permite al operador del instrumento visualizar la señal y/o los resultados de la medición en un formato fácil de entender Numérico o gráfico Tipos de despliegue Discreto o continuo Permanente o temporal La mayoría de los despliegues son visuales pero pueden auxiliarse de otros sentidos tal como el auditivo, e.g. zumbido con cada latido cardiaco. 16 Sistema de instrumentación biomédica Almacenamiento de datos El tipo de almacenamiento depende de la aplicación, pudiendo ser: Temporal – Poder llevar a cabo el procesamiento – Permitir al operador examinar los datos Permanente – Procesamiento fuera de línea mediante diversos esquemas 17 Sistema de instrumentación biomédica Transmisión de datos Adquisición en una ubicación y transmisión a otro dispositivo para su procesamiento y/o almacenamiento. Puede ser cableada o inalámbrica. Permite: – Proporcionar un diagnóstico y retroalimentación rápida si el paciente sufre algún episodio en su hogar – Ayudar al médico general a arribar a diagnósticos más precisos soportado por médicos especialistas 18 Sistema de instrumentación biomédica Señal de Calibración Una señal con amplitud y contenido en frecuencia conocidos que se aplica al instrumento para permitir ajustar los componentes del sistema de tal forma que se obtenga una relación medible entre la entrada y la salida. Sin dicha calibración, es imposible convertir la salida del instrumento en una representación significativa del mesurando. - Señal sustituta, de remplazo o subrogado (surrogate) 19 Sistema de instrumentación biomédica Control y retroalimentación Pueden requerirse para: – Ajustar el sensor y el procesamiento – Dirigir el flujo de datos para las etapas de despliegue, almacenamiento y transmisión – Provocar el mesurando Ejemplos de la retroalimentación: – Estimular una respuesta: marcapasos y ventiladores – Biorretroalimentación: control consciente para modificar la respuesta fisiológica → maniobras 20  Modos operacionales de los instrumentos biomédicos 21 Modos operacionales de los instrumentos biomédicos Los instrumentos biomédicos poseen diversos modos de operación alternativos: Directo e indirecto Muestreo y continuo Analógico y digital Tiempo real y tiempo retardado Sensores moduladores y sensores generadores 22 Restricciones en los instrumentos biomédicos 23 Restricciones en los instrumentos biomédicos El diseño de los instrumentos se ve afectado por diversos factores, incluyendo: – Rango de amplitud y frecuencia del mesurando – Accesibilidad de las variables a medir – Variabilidad (no determinismo) de las señales – Aplicación de formas de energía – Condiciones de operación 24 Restricciones en los instrumentos biomédicos Mesurandos médicos comunes Mesurando Rango de medición Rango de Método estándar frecuencia, Hz Flujo sanguíneo 1 - 300 mL/s 0 – 20 Flujómetro (magnético o ultrasónico) Presión sanguínea 0 - 400 mmHg 0 - 50 Auscultación o strain- gage Electrocardiografía 0.5 - 4 mV 0.05 - 150 Electrodos de piel Electromiografía 0.1 – 5 mV 0 – 10,000 Electrodos de aguja Electroencefalografía 5 a 300 V 0.5 - 150 Electrodos de cuero cabelludo pH 3 a 13 unidades pH 0-1 Electrodos de pH Frecuencia respiratoria 2 – 50 respiraciones/min 0.1 - 10 Impedancia o strain- gage Volumen corriente 50 – 1000 mL/respiración 0.1 - 10 Impedancia o strain- gage Temperatura 32 – 40 C 0 – 0.1 Termistor 25  Clasificación de los instrumentos biomédicos 26 Clasificación de los instrumentos biomédicos Es posible desde diversos puntos de vista, incluyendo: Presión Cantidad que es sensada Flujo Temperatura Resistivo Inductivo Principio de transducción Ultrasónico Electroquímico Cardiovascular Pulmonar Sistema fisiológico Nervioso Endócrino Pediatría Obstetricia Especialidad médica Cardiología Radiología 27