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Fundamentos de bioingeniería

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Fundamentos de Bioingeniería - Tema 1: Introducción

Grado en Ingeniería de Computadores - Bioingeniería Rafael Barea / Luciano Boquete / Juan Manuel Miguel

  • Introducción.
  • Tipos de señales biológicas.
  • Instrumentación Médica Diagnóstica.
  • Sistemas de Imágenes Médicas.
  • Instrumentación terapéutica.
  • Órganos y tejidos artificiales.
  • Prótesis.
  • Sistemas de rehabilitación y ayuda.
  • Robótica.
  • Telemedicina.
  • Modelización de sistemas fisiológicos.
  • Realidad virtual.
  • Otros temas… ¿Qué es la Bioingeniería? Bioingeniería: Bio - vida. Ingeniería - aplicación de principios matemáticos y científicos a los sistemas, máquinas y procesos. Según la Engineers Joint Council Committee on Biology and Medicine, “la Bioingeniería es la aplicación de los conocimientos adquiridos por la influencia mutua de la Ingeniería y la Biología, de manera que ambas se puedan utilizar de forma más completa en beneficio del hombre”. La bioingeniería intenta cuantificar la biología y la medicina, para lo cual debe definir variables, sistemas de medida, interpretar las señales y entenderlas para poder desarrollar modelos matemáticos que nos permitan predecir ( enfermedades, evoluciones, etc.).

Aplicaciones de la Bioingeniería

  • Bioinstrumentación: sensores que cuantifican los componentes químicos en sangre y la integración de biosensores en dispositivos de monitorización.
  • Prótesis: marcapasos, desfibriladores, riñones artificiales y prótesis cardíacas, de articulaciones ( brazos y piernas).
  • Instrumentación diagnóstica. Fuente: https://www.monografias.com/trabajos99/la-bioingenieria/la-bioingenieria.shtml

Aplicaciones de la Bioingeniería ( cont.)

Aplicaciones de la Bioingeniería ( cont.)

  • Biomateriales: diseño y desarrollo de los materiales bioimplantables.
  • Biosensores: detección de elementos biológicos y su conversión a señales eléctricas.
  • Biotecnológica: creación o modificación de materiales biológicos con fines beneficiosos, incluyendo la ingeniería de tejidos.
  • Dispositivos protésicos y órganos artificiales: diseño y desarrollo de dispositivos para el reemplazo o mejora de sus funciones. Fuente: https://www.monografias.com/trabajos99/la-bioingenieria/la-bioingenieria.shtml

El mundo del ingeniero biomédico

Biomecánica, prótesis / órganos artificiales, análisis médicos, biosensores, imágenes médicas, ingeniería clínica, biomateriales, informática médica, instrumentación biomédica, ingeniería de rehabilitación, modelación fisiológica, biotecnología, ingeniería de tejidos, telemedicina. Hay numerosas señales biológicas que se pueden detectar, cuantificar, procesar, etc.:

  • Acústicas: flujo de sangre en el corazón o válvulas cardíacas, flujo de aire en los pulmones, etc.
  • Ópticas: la oxigenación sanguínea puede estimarse midiendo la luz transmitida y reflejada por los tejidos in vitro o en vivo a distintas longitudes de onda…
  • Impedancia: la impedancia eléctrica de los tejidos contiene información como volumen, composición, etc.
  • Eléctricas, que se generan en las membranas celulares…
  • Químicas, concentraciones de iones dentro y fuera de las membranas celulares.
  • Magnéticas, mecánicas, etc. Cada una de ellas tiene sus características, frecuencia, sensores, aplicaciones…
  • Electrocardiografía ( ECG): registra la actividad eléctrica del corazón.
  • Electroencefalografía ( EEG): registra la actividad eléctrica del cerebro.
  • Electromiografía ( EMG): registra la actividad eléctrica muscular.
  • Electroneurografía ( ENG): estudios de conducción nerviosa ( motora, sensitiva y mixta).
  • Electrooculografía ( EOG): registra los movimientos oculares.
  • Electrorretinografía ( ERG): registra la actividad eléctrica de la retina.
  • Técnicas de exploración ocular.
  • Pletismografía. Presión sanguínea. Pulso…
  • Potenciales evocados: visuales, auditivos, somatosensoriales.

Electrocardiografía ( ECG)

Ejemplo de equipo: Philips PageWriter Trim II. Fuente: https://www.msdmanuals.com/es-es/hogar/trastornos-del-coraz%C3%B3n-y-los-vasos-sangu%C3%ADneos/diagn%C3%B3stico-de-las-enfermedades-cardiovasculares/electrocardiograf%C3%ADa

Electroencefalografía ( EEG)

Fuentes: https://blog.sincrolab.es/2017/03/20/que-es-y-que-podemos-medir-con-el-electroencefalograma-eeg/ http://medinotas.es/un-electroencefalograma-del-cerebro-que-muestra-la-transcripcion-del-eeg.html Ejemplos de equipos: Neurofax Micro ( EEG-9100) Portable y Neurofax EEG-1100 ( Nihon Kohden).

Potenciales evocados: visuales, auditivos, somatosensoriales

  • Potenciales evocados auditivos ( PEA).
  • Potenciales evocados visuales ( PEV).
  • Potenciales evocados somatosensoriales ( PESS).
  • Monitorización de la profundidad anestésica, basada en análisis de EEG:
  1. Monitorización activa: se mide una respuesta específica del EEG a estímulos acústicos definidos ( potenciales evocados auditivos).
  2. Monitorización pasiva: se analizan parámetros calculados a partir de la actividad espontánea del EEG.
  • Rayos X.
  • Tomografía Axial Computarizada ( TAC). Basada en rayos X.
  • Ecografía ( 2D, 3D, 4D).
  • Resonancia Magnética Nuclear ( MRI).
  • PET, SPECT: Medicina Nuclear, uso de radiofármacos ( fármaco transportador + isótopo radiactivo). La distribución de isótopos es detectada con una gammacámara. Posibilidad de adquirir las imágenes anatómicas y funcionales en un único estudio.

Rayos X

Son una radiación electromagnética ( 0,1 nm < λ < 10 nm) descubierta por W. Roentgen a finales del s. XIX. Es invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. Las partes más densas aparecen con un tono más o menos gris dependiendo de su densidad. Al principio solamente se utilizaba para diagnosticar fracturas de huesos y dislocaciones, pero desde 1930 se pueden visualizar prácticamente todos los órganos utilizando sales de bario y materiales radio-opacos. Fuentes: http://www.famaf.unc.edu.ar/~pperez1/manuales/cdr/_images/foto_tubo.png http://lafsicaestadentrodeti.blogspot.com/2010/10/rayos-x_3715.html http://www.famaf.unc.edu.ar/~pperez1/manuales/cdr/_images/tubo_cW.png

TAC - Scanner

Es una exploración de rayos X que produce imágenes detalladas de cortes axiales del cuerpo. En lugar de obtener una imagen como la radiografía convencional, el TAC obtiene múltiples imágenes al rotar alrededor del cuerpo. Un ordenador combina todas estas imágenes en una imagen final que representa un corte del cuerpo, como si fuera una rodaja. Interior de un TAC: D = detectores de radiación; T = tubo emisor de rayos X; X = haz de rayos X; R = rotación del “gantry”. Ejemplo: Philips MX8000.

Reconstrucción de imágenes - Algoritmo de retroproyección

A series of collimated parallel beams travel through the tissue. The output of each beam is just the projection of the attenuation coefficients of the intervening tissue from the source to the detector. The projections of all the individual parallel beams constitute a projection profile of the intervening tissue absorption coefficients. A scanner is rotated around an object to compute the projection p for many angles θ ∈ [0, π]. With only one projection profile it is not possible to determine how the tissue absorptions are distributed along the paths. However, if a large number of projections are taken at different angles through the tissue, then the reconstruction algorithm can estimate the distribution of absorption coefficients ( Radon pθ( t), o sinograma). Formación de un sinograma de TAC: ejemplos 1, 2 y 3. Ejemplo sencillo: en la retroproyección ( back-projection) cada píxel contiene el promedio de las proyecciones a través de ese píxel. Por ejemplo, ( 12+4+6)/3 = 7.3. Para corregir el desenfoque ( blurring) asociado al método de retroproyección se puede utilizar un filtro de diferenciación espacial ( filtro paso alto). Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Ct-workstation-neck.jpg Pantalla típica de un software de diagnóstico, mostrando una vista 3D y tres vistas MPR ( Multiplanar Reconstruction - Reconstrucción Multiplanar). Vistas MPR: axial, sagital y coronal.

Ecografía

Sonografía o diagnóstico por ultrasonidos ( ecografías). Se basa en las imágenes obtenidas de la reflexión de parte de la energía de una fuente que rebota en un objeto y vuelve a un detector. Utiliza ondas sonoras de alta frecuencia. Ultrasonidos 3D: las ondas sonoras se envían desde diferentes ángulos, se procesan sus ecos y se reconstruye una imagen 3D de la superficie del feto o de órganos internos. Si las imágenes se capturan y se muestran rápidamente se observa el movimiento: US 4D o en tiempo real. El ultrasonido Doppler evalúa la sangre mientras circula por los vasos sanguíneos, permitiendo visualizar la velocidad y la dirección del flujo sanguíneo.

  • El promedio de velocidad de los ultrasonidos ( US) en tejidos blandos es de 1540 m/s.
  • La velocidad es inversamente proporcional a la compresibilidad: las moléculas en los tejidos más compresibles están muy separadas, por lo que transmiten el sonido más lentamente.
  • En general, el sonido viaja a mayor velocidad en los sólidos que en los líquidos, y en los líquidos mayor que en los gases.
  • La impedancia acústica es la resistencia que oponen los tejidos al paso del ultrasonido, y es igual al producto de la densidad del medio por la velocidad de propagación del sonido en dicho medio.
  • Si dos materiales tienen la misma impedancia acústica, su límite no produce eco. Si la diferencia es pequeña, se producirá un eco débil y la mayor parte del haz seguirá viajando a través del segundo medio. Si la diferencia es grande, se producirá un eco intenso.
  • Típicamente, en los tejidos blandos la amplitud del eco que se produce en su interfase es baja. Sin embargo, las áreas que contienen hueso o aire no permiten que el ultrasonido pase más allá de la interfase y producen ecos muy intensos. Fuente: https://continuum.aeped.es/files/guias/Material_descarga_unidad_1_ecocardioscopia.pdf
  • La resolución axial es la capacidad para distinguir dos ecos que se originan en dos puntos que están colocados lado a lado, alineados secuencialmente a lo largo de la longitud del haz.
  • Teniendo en cuenta que el ultrasonido utilizado en diagnóstico ( entre 1 y 10 MHz) tiene longitudes de onda entre 0,15 y 1,5 mm ( 0,15 mm para 10 MHz y 1,5 mm para 1 MHz), el rango de resolución axial de los equipos actuales se mueve en ese margen.
  • La información recogida por los equipos de ecografía puede representarse en cuatro modos distintos: modo A ( amplitud), modo B ( brillo), modo M ( movimiento) y visualización en tiempo real.
  • Modo A ( amplitud): es el primero que se desarrolló y en la actualidad tiene escasas aplicaciones clínicas. Se utiliza un solo haz de US y la información recogida es representada en gráficas. El eje vertical representa la distancia y el eje horizontal la amplitud de los ecos.
  • Modo B ( brillo) ( modo 2D o bidimensional): es el formato más utilizado y conocido. Se utilizan múltiples haces emitidos secuencialmente y se obtienen imágenes bidimensionales en movimiento ( modo B compuesto). El brillo del punto es proporcional a la amplitud del eco y la posición al tiempo de recepción. El conjunto de los puntos reproduce un corte anatómico de la región examinada. Fuentes: https://accessemergencymedicine.mhmedical.com/data/books/ma2/ma2_c003f008.jpg ( modo B compuesto) https://www.echopedia.org/wiki/The_principle_of_ultrasound ( modo M, modo B simple)
  • Modo M ( movimiento): es una variante del modo B compuesto en la que se utiliza un solo haz de US para obtener imágenes unidimensionales en movimiento.
  • A lo largo de la línea que representa el haz se representan los ecos como puntos de brillo de distinta intensidad, a una distancia también proporcional al tiempo que tardan en ser recibidos.
  • Se presenta en un trazado continuo sobre dos ejes: en el eje vertical se dispone la línea de puntos ( distancia), y en el horizontal, el tiempo.
  • Es de gran utilidad en cardiología, dado que es posible la sincronización con el ECG y modificar la velocidad de barrido. Permite medir con precisión los diámetros de las cavidades y los grosores de las paredes en cada momento del ciclo cardíaco, e identificar movimientos anormales ( válvulas, paredes ventriculares). Fuentes: https://www.slideshare.net/vnaykris/ultrasound-instrumentation https://continuum.aeped.es/files/guias/Material_descarga_unidad_1_ecocardioscopia.pdf
  • Visualización en tiempo real ( modo B dinámico): es el modo más utilizado en el momento actual. Proporciona una imagen dinámica de alta calidad de las estructuras en estudio. La imagen se forma por la emisión de un número elevado de líneas de barrido B por unidad de tiempo, de manera que el ojo humano la percibe como una imagen en movimiento. Permite estudiar estructuras en continuo movimiento como las paredes del corazón, las válvulas cardíacas…
  • Ultrasonido Doppler: basado en el efecto Doppler. Permite visualizar la velocidad y la dirección del flujo sanguíneo. Existen básicamente tres tipos de Doppler para el estudio del flujo de la sangre: continuo, pulsado y color.

Ecocardiografía. Ejemplos

Medicina nuclear

Se basa en el uso de radiofármacos ( fármaco transportador + isótopo radiactivo), que se introducen en el cuerpo y se distribuyen por los diversos órganos ( cada transportador tiene preferencia para depositarse en cierto sitio: huesos, tiroides, etc.). La distribución del radiofármaco se detecta por una gammacámara y las imágenes obtenidas se almacenan para su posterior visualización, procesamiento, etc. Las imágenes son funcionales, es decir, muestran cómo está funcionando el órgano, ya que el radioisótopo puede ser seguido a medida que se mueve por el cuerpo. Un ejemplo: PET, que detecta el consumo excesivo de glucosa ( por ejemplo, en los tumores), gammagrafía de tiroides, gammagrafía ósea… Ejemplo: gammagrafía ósea con lesión en órbita derecha.

Resonancia magnética

Se alinean los campos magnéticos de diferentes átomos en la dirección de un campo magnético externo. La alineación se perturba con campos magnéticos alternos, haciendo que los núcleos de hidrógeno produzcan un campo magnético rotatorio detectable por el escáner. Proporciona imágenes detalladas del cuerpo en cualquier plano, con mucho mayor contraste entre los tejidos blandos que el TAC. Secciones secuenciales de una resonancia del encéfalo, mostrando concurrentemente tajadas a través de los planos transverso, sagital y coronal ( izquierda a derecha). Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Imagen_por_resonancia_magn%C3%A9tica

  • Electroterapia.
  • Fototerapia.
  • Radiación infrarroja.
  • Ultrasonidos en terapéutica.
  • Laserterapia.
  • Magnetoterapia.

Electroterapia

Conjunto de técnicas que aplican corrientes eléctricas al organismo con fines terapéuticos. Por ejemplo:

  • Electrólisis / depilación eléctrica: destrucción de los tejidos por medio de la corriente continua.
  • FES ( Estimulación Eléctrica Funcional): activación nerviosa controlada, por medio de la aplicación de una corriente de baja frecuencia, para producir una respuesta en ciertos músculos paralizados, incontinencia urinaria, etc.
  • Electroterapia con corrientes de alta frecuencia: se usa en rehabilitación. Si se aplican de forma continua producen calentamiento de la zona; si se dan de forma pulsante su efecto es antiinflamatorio. Producen eliminación de sustancias nocivas, disminución del dolor y relajación muscular.

Ejemplo de electroterapia: TENS

TENS ( Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation): estimulación eléctrica de los nervios a través de la piel, para el tratamiento de dolores de diferente origen. El efecto de alivio o eliminación del dolor se alcanza, entre otras causas, gracias a la supresión de la transmisión del dolor a través de las fibras nerviosas ( por medio de impulsos de alta frecuencia) y a la estimulación de la secreción de endorfinas naturales del cuerpo, que disminuyen la sensación de dolor gracias a su efecto en el SNC. Fuente: http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion-fis/capitulo_tens.pdf

Dispositivos implantables: marcapasos y desfibriladores

Los marcapasos estimulan la actividad rítmica del corazón cuando se ve seriamente afectada por las diversas patologías, mediante la generación de impulsos eléctricos aplicados al miocardio a través de conductores metálicos ( electrodos). Actualmente adaptan la frecuencia a determinados parámetros fisiológicos ( temperatura, etc.). En el futuro incorporarán biosensores implantables que informen continuamente a un microcontrolador sobre múltiples variables fisiológicas, hasta conseguir una regulación óptima del ritmo de impulsos. Objetivo: regulación óptima.

Ultrasonidos en terapéutica

Los ultrasonidos en terapéutica tienen dos modalidades de acción:

  • Efecto terapéutico: efecto térmico, mejora la absorción transdérmica de ciertos medicamentos, facilita la concentración de la quimioterapia en el sitio del tumor, facilita la soldadura de las fracturas óseas, etc.
  • Efecto mecánico / destructivo: limpiadores ultrasónicos, bisturíes ultrasónicos, litotricia…

Láser

LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Los láseres son dispositivos que generan o amplifican radiación coherente de luz en las regiones infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. Sus efectos dependen de las características de absorción del tejido sobre la longitud de onda utilizada. Usos terapéuticos: cirugía sin sangre, oftalmología ( corrección de miopía, glaucoma, etc.), dermatología ( eliminación de manchas, tatuajes, depilación…), odontología, tratamiento de piedras en el riñón, etc. Ejemplo en oftalmología: corrección de miopía. El láser talla la córnea para modificar su curvatura óptica de modo que el paciente pueda ver enfocado sin necesidad de gafas o lentillas. Fuente: https://www.abanzis.com/operacion-vista-laser-comparativa-tecnicas

Biomecánica

Estudia la estructura y función de los sistemas biológicos ( estructuras vivas) desde el punto de vista mecánico ( estática, dinámica, mecánica de materiales -sólidos o fluidos-, etc.). Se ocupa de las fuerzas internas y externas que actúan sobre el cuerpo y el efecto que producen. Intenta entender la eficiencia física humana y cómo los tejidos biológicos influyen en esa eficiencia. Biomechanics covers a wide field from solid to fluid mechanics, from motion sports mechanics to automobile crash tests. It includes tissue engineering and biomaterials, artificial organs and sports therapy:

  • To understand human physical performance: how do we perform movement and apply forces? How is human motion controlled and how can it be refined?
  • To understand how the biological tissues ( materials) such as muscles, bones, cartilage, tendons and other soft tissues participate in such performance.
  • To determine what kind of forces are acting on musculoskeletal tissue elements during physical activity.
  • To find out what are the mechanical properties of the relevant biological tissues; how do they deform and endure the application of forces and how do they remodel.
  • To understand the mechanisms of injury; what kind of loads cause tissues to fail ( lose their structural integrity). Preguntas de ejemplo en el campo:
  • Truck drivers are known to develop chronic lower back pain. Is there a critical vibration spectrum which will cause injury?
  • Running can produce injuries to the joints of the lower limbs. Can athletic shoes help prevent injury by improving dynamic foot-ground interaction?
  • Leg amputation and a continuous use of prosthesis is likely to produce lower back pain in later life. Can such arthritic development be prevented via control of the limb structural parameters?
  • In the design of high acceleration equipment, such as airplanes, space rockets, roller coasters and road vehicles, how does one decide what kind of accelerations the body can sustain without being injured?
  • In the design of off-road equipment and vehicles, exposure to vibrations considers frequencies, amplitudes, duty cycle, exposure time, etc.
  • In the design of seat belts for automotive application, what would be an optimal configuration to prevent rib fractures?
  • Improvement of athletic performance.
  • Reduction of athletic injuries.
  • Product development.

Ingeniería de tejidos / medicina regenerativa ( parte de la biomecánica)

Combina principios de ingeniería ( de materiales sobre todo), química y biología para crear sustitutos de tejidos vivos con los que reparar, reemplazar o mejorar la función del tejido natural. Se extraen las células de su matriz original, se cultivan y se sitúan en otra matriz ( natural o artificial) que les proporciona la forma y las propiedades mecánicas necesarias. Se usan para reemplazar huesos, cartílagos, la vejiga, válvulas cardíacas, piel artificial y órganos artificiales ( hígado y páncreas, por ejemplo). Reducen problemas de rechazo, proporcionan órganos sin necesidad de experimentar con animales, etc.

Biomateriales ( parte de biomecánica)

Son materiales ( metal, plástico, cerámica, etc.) que deben estar en contacto con el cuerpo por razones médicas, para reemplazar parte del cuerpo ( prótesis, válvula del corazón, ojo de cristal) o aumentar sus posibilidades ( lentillas), o instrumentación ( diálisis). Deben ser biocompatibles, maleables, soportar corrosión, humedad, tener propiedades mecánicas adecuadas, etc. Problema habitual: que el sistema inmunológico responda y lo rechace/alergia.

Órganos artificiales

Ejemplo: páncreas artificial ( bombea insulina a las personas con diabetes). Hay tres aproximaciones:

  • Utilizando un sistema de administración de medicamentos ( drug delivery system): una bomba de insulina, controlada en lazo cerrado con un sensor que continuamente monitoriza el nivel de glucosa en sangre.
  • Utilizando biomateriales: creando un páncreas artificial con un conjunto encapsulado de células beta. Se implantan en el paciente y será útil durante años.
  • Terapia genética: se infecta a la persona con diabetes con un virus que modifica el ADN de las células intestinales para que produzcan insulina.

Implantes biohíbridos

Incorporan especies moleculares o poliméricas de origen biológico, o partes de seres vivos como componente orgánico, en combinación con sólidos inorgánicos. Combinan las propiedades de la parte orgánica y la inorgánica para generar propiedades estructurales ( mecánicas) y funcionales ( eléctricas, ópticas, magnéticas, etc.). Aplicaciones: son biocompatibles, por lo cual se pueden emplear en numerosas aplicaciones:

Prótesis biónicas para miembros superiores e inferiores

Se implantan biosensores ( arrays de electrodos, cables sobre la piel, electrodos de aguja, etc.) que detectan señales de los nervios o músculos, y un microcontrolador interno a la prótesis procesa las señales obtenidas por los sensores y genera las señales de control de la prótesis, permitiéndoles gran número de grados de libertad. Incluyen realimentación procedente de sensores de fuerza, aceleración, etc. Ejemplo: Oscar Pistorius, participó en el Mundial de atletismo de Daegu ( Corea del Sur, 2011) con dos prótesis de fibra de carbono. Llegó a semifinales en los 400 m y récord nacional en la semifinal de 4x400. Titular: “Pistorius parte con diez segundos de ventaja”. Fuente: http://www.rakuhokugishi.co.jp/aboutpo/prosthesis_intro/index_eng.html

Prótesis biónicas para miembros superiores e inferiores ( cont.)

Las prótesis tienen ya gran parecido estético con los miembros sustituidos ( manos con venas, arrugas, pelo, huellas dactilares, etc.). En el futuro se espera poder procesar las señales cerebrales para poder controlar prótesis neurocognitivas que incluirán BCI, especialmente indicadas para personas con daños cerebrales, parálisis cerebral, autismo o Alzheimer, por ejemplo.

Prótesis auditivas

Audífonos e implantes cocleares. Fuente: http://www.ugr.es/~atv/web_ci_SIM/en/seccion_4_en.htm ( Ver videos: funcionamiento del oído e implante coclear.)

Prótesis visuales

Las prótesis visuales son dispositivos o elementos que sustituyen las partes dañadas del sistema visual por electrónica. Clasificación:

  • Estéticas.
  • Queratoprótesis.
  • Medios transparentes / cristalino.
  • Implante retinal. Estimulación de la retina.
  • Implante cortical. Estimulación del cerebro.
  • Implante de nervio óptico.

Prótesis visuales: prótesis estéticas

Ojo estético. Ojo estético robótico: The Robotic Prosthetic Eye Project ( Universidad de Alberta, Canadá). Objetivo: mejorar la estética de las prótesis oculares dotándolas de movimiento. Prototipos del Robotic Prosthetic Eye Project: a) infrarrojos, b) electrooculografía. Sistemas de aumento y sustitución sensorial, sistemas robóticos asistenciales, sillas de ruedas eléctricas. Control de interfaces gráficos - adaptaciones para PC. Cirugía robótica, tecnologías asistenciales, robots quirúrgicos, robótica asistencial, robótica no quirúrgica, robótica en rehabilitación, robots para diagnosis ( ver video demostrativo).

Mini robot médico

Pequeño robot capaz de ser introducido a un paciente por medio de una pequeña incisión. Guiándose a través de un mapa creado con resonancia magnética nuclear, el robot puede tomar fotografías, recoger muestras de tejido, diseminar medicina e incluso realizar procedimientos quirúrgicos sencillos. Actualmente el robot es un prototipo que debe mantenerse unido por un cable al ordenador que lo maneja, y es conducido a través del cuerpo con campos magnéticos. Fuente: http://www.taringa.net/posts/noticias/1815339/Mini-robot-médico.html Los ordenadores permiten analizar y realizar un procesamiento automático de gran magnitud de datos, especialmente los que provienen de las imágenes. Además, permiten almacenar los datos de los pacientes de forma fiable y recuperarlos rápidamente. También pueden ayudar en la diagnosis y en la planificación de la actividad hospitalaria, por ejemplo. Internet permite la comunicación de los datos utilizando mecanismos estándar que aumentan la flexibilidad, promocionando la posibilidad de que sean captados en un sitio y visualizados y/o almacenados en otro, por ejemplo. Telemedicina: telediagnóstico, teleconsulta, telemonitorización, etc. Ventajas:

  • Universalizan la atención sanitaria.
  • Mejoran la calidad asistencial y la formación.
  • Optimizan el gasto, etc. Tabletas, teléfonos móviles, GPS… En la actualidad, sistemas de ecuaciones diferenciales que pretenden reproducir los fenómenos observados experimentalmente, se dispone de:
  • Potenciales de acción.
  • Movimiento de los ojos.
  • Modelos para quemados.
  • Modelos para la medicación del paciente ( consideran sus datos antropológicos y los antecedentes). Permite anticipar reacciones del organismo y corregir desviaciones.
  • Modelado de pacientes: consiste en la creación de un modelo digital mediante la obtención de imágenes anatómicas usando distintas técnicas. Para la especialización del modelo en un paciente en particular se puede incluir también su propio historial médico.

¿Por qué un modelo virtual de pacientes?

  • Evitar la práctica con pacientes reales.
  • Reducción de costes asociados a la utilización de cadáveres y animales en cirugía y docencia.
  • Ofrecer una mayor experiencia en patologías y complicaciones.
  • Repetir y revisualizar intervenciones quirúrgicas.
  • Especialización en cada paciente.
  • Análisis del riesgo de operación y tratamiento del postoperatorio.
  • Supresión de libros de texto por modelos cinéticos tridimensionales. Técnicas empleadas para la obtención del modelo:
  • TAC ( tomografía axial computerizada).
  • Resonancia magnética.
  • Crioseccionado: técnica basada en la congelación del espécimen y la aplicación de la sustancia llamada cryosat. Esta técnica permite el seccionado de un cadáver en secciones de intervalos ( sub)milimétricos.

Visible Human Project ( NLM, National Library of Medicine)

TAC, RM y crioseccionado de todo el cuerpo de hombre y mujer. Aplicaciones: realidad virtual en medicina, visita guiada por el hombre visible, explorador de anatomía virtual, proyecto para la animación del hombre visible, colonoscopia 3D virtual. Fuente: http://www80.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html

Reconstrucción 3D

Se recogen en un ordenador las proyecciones ( bidimensionales) desde distintas direcciones y se aplica un algoritmo de reconstrucción tomográfica que proporciona una imagen de volumen. Imágenes: reconstrucciones 3D de los huesos y los vasos sanguíneos del cerebro. Como tienen distinta densidad, en cada una de las reconstrucciones se han eliminado los demás elementos. Utilizan técnicas de rendering que agrupan elementos de la misma densidad. Además de los fines habituales ( lúdicos, de simulación, entrenamiento, televisión, etc.), en el campo médico-terapéutico puede tener las siguientes aplicaciones:

  • Terapia inmersiva para tratar tanto fobias ( poniendo al sujeto en “contacto” con el elemento que le produce miedo) como trastorno de estrés post traumático.
  • Rehabilitación y terapia ocupacional mediante juegos con dispositivos hápticos.
  • Simuladores para entrenamiento de cirujanos.

¿Qué es un simulador quirúrgico?

Un simulador quirúrgico es una herramienta que permite la simulación de operaciones de cirugía mediante el uso de la realidad virtual. ¿Qué ventajas ofrecen?

  • Reducir los costes asociados al uso de cadáveres.
  • Proveer de experiencia al cirujano con mayor variedad de patologías.
  • Permitir repetir los procedimientos quirúrgicos.
  • Permitir revisualizar los procedimientos realizados.
  • Planificación y práctica sobre un modelo del paciente específico.

Bioinformática y genómica

La bioinformática combina la informática con la biomedicina para desarrollar herramientas que permitan identificar y entender los datos biológicos. Proyecto Genoma Humano: consiguió en 2003 un borrador de la secuencia completa de ADN de un ser humano. La genómica que, entre otros objetivos, persigue descubrir las bases genéticas de las enfermedades ( como el cáncer o la diabetes), o desarrollar terapias genéticas y nuevos dispositivos de diagnosis.

Nanobiología

Por ejemplo, nano-robots pensados para luchar contra tumores, o administrar medicinas exclusivamente en los órganos que las necesiten.

AAL

Ambient Assisted Living ( algo así como “vida cotidiana asistida”), mediante el uso de dispositivos inteligentes y la provisión de servicios de cuidado remotos, espacios inteligentes…

Domótica

Mejora la calidad de vida de todos, y especialmente de las personas con alguna discapacidad.

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