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• Gabriela Bonilla Franco

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA AREA CIENCIAS DE LA SALUD PROGRAMA INGENIERIA BIOMEDICA INTRODUCION A LA INGENIERIA BIOMEDICA MODALIDAD ADI

SEMINARIO I SISTEMA GENERALIZADO DE DE INSTRUMENTACION MEDICA

INTEGRANTES: TSU. BESSON YESSICA TSU. BONILLA GABRIELA TSU. TOYO MARIANNY

CORO 22 DE MAYO DE 2015

INTRODUCCION

En la instrumentación biomédica cuando hablamos de sistemas generalizados de medición tratamos sobre los instrumentos empleados para obtener información aplicando energía a los seres vivos, Se denomina instrumento a cualquier dispositivo empleado para medir, registrar y/o controlar el valor de una magnitud que se desea observar. La instrumentación desde este punto de vista puede considerarse como la ciencia y tecnología del diseño y utilización de los instrumentos. Existen equipos o instrumentos para terapia, monitorización, diagnóstico, electrocirugía y rehabilitación. La principal diferencia entre los sistemas de instrumentación biomédica y cualquier otro sistema de instrumentación convencional radica en que la fuente de las señales suelen ser seres vivos o energía aplicada a estos seres o tejidos vivos. Durante este seminario se hará énfasis en cómo está compuesto el sistema de instrumentación

medica en

general.

Los

conceptos

fundamentales

de la

bioinstrumentación, desde el lenguaje a utilizar hasta los criterios de diseño y evaluación de equipos e instrumentos médicos.

SISTEMA DE MEDICIÓN GENERALIZADO

La instrumentación biomédica trata sobre los instrumentos empleados para obtener información a aplicar energía a los seres vivos, y también a los destinados a ofrecer una ayuda funcional o a la sustitución de funciones fisiológicas. Se denomina instrumento a cualquier dispositivo empleado para medir, registrar y/o controlar el valor de una magnitud que se desea observar. La instrumentación desde este punto de vista puede considerarse como la ciencia y tecnología del diseño y utilización de los instrumentos. Actualmente los equipos de instrumentación médica utilizan transductores, módulos de procesamiento de señales y displays para convertir los signos que emite el cuerpo humano en algo perceptible para el médico o científico que lo analiza. Este tipo de equipos es usado para monitoreo, diagnostico e investigación. La exactitud de cada equipo de instrumentación depende del método que utilice para medir y de la complejidad del mismo. El diseñador de estos equipos debe buscar no alterar las cantidades medidas con sus equipos y usar los principios de diseño de falla segura.

ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE INSTRUMENTACION BIOMEDICO

Todos los equipos o sistemas de instrumentación biomédica tienen un diagrama de bloques similar al de la figura. El flujo principal de información va del hombre al equipo. Los elementos mostrados por líneas discontinuas no son esenciales. La principal diferencia entre los sistemas de instrumentación biomédica y cualquier otro sistema de instrumentación convencional radica en que la fuente de las señales suelen ser seres vivos o energía aplicada a estos seres o tejidos vivos

Los principales bloques que componen un sistema de instrumentación biomédica son:

MEDIDA

Es la magnitud física, propiedad o condición que el sistema mide. La accesibilidad a la medida es un parámetro a tener en cuenta ya que esta puede ser interna (presión de la sangre), puede medirse en la superficie del cuerpo (potenciales extracelulares como el electrocardiograma), puede emanar del cuerpo (radiaciones infrarrojas) o puede salir o derivarse de una muestra de tejido del cuerpo (sangre o una biopsia). Las medidas médicas más importantes pueden agruparse en las siguientes categorías: biopotenciales, presión, flujo, dimensiones (imagen), desplazamiento (velocidad, aceleración y fuerza), impedancia, temperatura y concentraciones químicas. Estas medidas pueden localizarse en un órgano concreto o por toda la estructura anatómica.

MODOS OPERACIONALES ALTERNATIVOS

Existen los modos directos e indirectos. Algunos bioeventos pueden sensarse directamente pues son fácilmente accesibles. Cuando tales bioeventos no son accesibles es necesario valernos de relaciones conocidas que nos permitan inferir la

cantidad que deseamos medir. Como ejemplo tenemos los Rayos X o la determinación del flujo cardíaco por métodos indirectos.

Modos continuos o muestreados. Señales como el ECG o el flujo respiratorio tiene una curva característica y cambian de manera continua, mientras variables como la temperatura o la concentración de iones varían lentamente en el tiempo y se pueden medir por muestras periódicas. Los sensores pueden ser generadores o moduladores. Generadores como en el caso de una pila fotovoltaica que proporciona voltaje según la iluminación. Moduladores como los fotoconductores que cambian sus propiedades eléctricas por efecto de la iluminación.

Las señales con información pueden ser análogas o digitales. La gran mayoría de transductores operan en modo análogo o continuo. Sin embargo, con el advenimiento del acondicionamiento digital de la señal que es posible hacerlo por medio computacionales, hoy día la mayoría de aplicaciones hacen uso de los conversores análogo-digitales (AD) y conversores digital-análogo (DA). Existen muchas ventajas trabajando en modo digital como la exactitud, respetabilidad, confiabilidad, inmunidad al ruido, y usualmente no es necesario calibrarlos. Otra ventaja puede ser su fácil lectura, aunque en algunas aplicaciones donde la señal varía continuamente es preferible un display análogo.

Las señales pueden tratarse en tiempo real o tiempo retardado. Tiempo real hace referencia al tratado de las señales cuando estas están ocurriendo. Desafortunadamente, hacer un seguimiento en tiempo real no siempre es posible, aún cuando a diario la tecnología nos proporciona dispositivos y algoritmos que las señales más rápidamente. Sin embargo, es común encontrar aplicaciones donde se almacenan señales o imágenes para que el personal asistencial las estudie con fin de brindar un diagnóstico.

LIMITACIONES DE LAS MEDICIONES BIOLÓGICAS

Problemas asociados con las mediciones en seres vivos:

-

Los rangos de medición en medicina son muy bajos, como por ejemplo, los voltajes están en el rango de micro volts y las presiones son muy bajas.

-

También las señales se encuentran en rangos de audiofrecuencia o menores, hay señales en DC o en frecuencias muy bajas.

-

Muchas de las interrelaciones entre sistemas y órganos son todavía incomprensibles.

-

Muchas de las mediciones como ultrasonido para medir flujo sanguíneo, rayos X u otros, interactúan con el sistema y no se sabe con certeza hasta qué grado afectan al cuerpo humano.

-

Los equipos de medición deben ser confiables, fáciles de manejar, fuertes para el trato diario, y resistentes a la exposición de químicos corrosivos.

-

Los equipos deben ser diseñados para evitar accidentes por descargas eléctricas.

La seguridad del paciente y del personal médico debe ser considerada en todas las fases del diseño y en las pruebas finales del mismo.

FACTORES EN LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIONES MÉDICAS

La fisiología y diferentes criterios médicos afectan la construcción y diseño de bioinstrumentos. Supóngase la creación de un sistema de medición de presión arterial, donde los rangos de medición llegan hasta los 400mmHg. Si un ingeniero no tuviera idea del nivel de presión a medir, no sería de sorprenderse que se desarrollará un excelente instrumento pero que trabaje en atmósferas de presión, muy por encima de los niveles deseados. Consecuentemente definamos los rangos de la medición y los rangos de frecuencia.

Bajo tal definición debemos incluir rangos normales y anormales. Dada la naturaleza de los bioeventos nos encontramos con que algunos sistemas vivos son inaccesibles, esto ocurre cuando no es posible obtener una adecuada interface medición sensor sin dañar el sistema vivo. Además, a un sistema vivo, no es posible apagarlo ni remover parte de él durante un procedimiento. El gasto cardíaco es un ejemplo de una importante medida que es de difícil acceso.

Las variables medidas en el cuerpo humano y otros seres vivientes no son determinadas y varían con respecto al tiempo. Es común encontrar dos pacientes normales y con condiciones similares donde la medición de sus variables es diferente: por ejemplo un paciente con una frecuencia cardíaca de 70 lpm y otro con 75 lpm. El método más común para tratar con la inherente variabilidad en los sistemas vivos es emplear métodos estadísticos.

La variabilidad en sistemas vivos ha sido estudiada y se ha tratado de explicar a nivel molecular, de tejidos, órganos o sistemas completos. Es común encontrarse en la práctica clínica con mediciones fisiológicas resultan de interacciones entre sistemas no del todo conocidas. Es difícil entonces establecer los rangos seguros de energía aplicada. Por ejemplo el calentamiento del tejido es un efecto que tiene que limitarse, puesto que aún cambios fisiológicos reversibles pueden afectar la medición.

En la literatura están reportados daños a nivel molecular de los tejidos con niveles de energía sorprendentemente bajos.

SENSORES: GENERADORES Y MODULADORES

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas también variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, humedad, movimiento, etc. En la instrumentación biomédica es de vital importancia el desarrollo, implementación y operación de los sensores biomédicos o biosensores los cuales toman señales que representan variables biomédicas y las convierten en señales eléctricas. Los sensores biomédicos sirven como una interfaz entre los sistemas biológico y electrónico y deben funcionar de manera tal que no afecten adversamente

a ninguno de estos sistemas. Al considerar los sensores biomédicos es necesario considerar las dos partes de la interfaz: la biológica y la electrónica, debido a que ambos factores, juegan un importante papel en el funcionamiento del sensor.

¿Como definir la relacion sensor y transductor? El sensor esta en contacto con la variable a medir, mientras el transductor es la herramienta intermedia que transforma la señal de salida del sensor y la conecta con la señal de entrada de un display y/o controlador en un sistema de control. En algunos casos el sensor puede incluir varias etapas de transducción, denominándose primario al sensor que actúa en la primera etapa.

Un caso tipico es la medida de las variables mecanicas. El sensor primario convierte la variable de entrada en otra del mismo u otro tipo, mas facil de medir. El sensor secundario es un circuito electrico o electronico que convierte la variable de salida del sensor primario en una señal electrica.

ESTRUCTURA Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Todos los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada al tipo de variable de salida más adecuado para el control o monitoreo de cada proceso particular. Estos principios o fenómenos se manifiestan en forma útil en ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del material en sí o su disposición geométrica. En el caso de sensores cuya salida es una señal eléctrica, la obtención de esta última implica generalmente el uso de un transductor primario y opcionalmente, uno o más transductores secundarios. Como se ilustra en la figura 1.

Figura 1. Estructura genérica de un sensor. Este último puede utilizar uno o más principios de transducción con el fin de producir una salida útil en respuesta a la cantidad, propiedad o condición física que se desea medir. La función del transductor primario es convertir la magnitud física a medir en otra más fácil de manipular. Esta última no tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica. Por ejemplo, un bimetal, que es un dispositivo formado por dos metales de distintos coeficientes de dilatación, es un tipo de transductor primario porque convierte una variación de temperatura en un desplazamiento físico equivalente. Este último puede ser utilizado para mover una aguja o accionar un interruptor. Otros ejemplos son los los tubos de Bourdon (presión), los tubos de Pitot (velocidad de flujo), los rotámetros (caudal), los flotadores (nivel), las termocuplas (temperatura), etc. El transductor o transductores secundarios, cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente.

Una vez obtenida, esta última es sometida a un proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de la circuitería de control. Como ejemplo, considérese el sensor electrónico de presión mostrado en la figura 2.

Figura2. Estructura interna de un sensor de presión absoluta En este caso, la presión asociada con el fluido se traduce inicialmente en un desplazamiento o deflexión proporcional utilizando como transductor primario un diafragma u otro elemento elástico especialmente diseñado para esta función. A continuación, esta deflexión es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando como transductor secundario una galga extensiométrica semiconductora u otro tipo de elemento especialmente diseñado para convertir movimiento en electricidad. Por último, la señal eléctrica producida se acondiciona, modifica o procesa mediante circuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener la respuesta y las características finales deseadas (en este caso un voltaje entre 0 y 5V proporcional a valores de presión absoluta entre 0 y 6000 psi con una exactitud de ±.0.5%).

La circuitería anterior constituye el bloque de tratamiento de señal. Adicionalmente, muchos sensores incluyen una etapa de salida, conformada por relés, amplificadores de potencia, conversores de código, transmisores, y otros tipos de dispositivos y circuitos, cuya función es adaptar la señal entregada por el bloque de acondicionamiento o tratamiento a las necesidades específicas de la carga. Generalmente, tanto la etapa de salida como la de tratamiento de señal, incluyen también circuitos de protección contra sobrevoltajes, interferencia electromagnética (EMI), interferencia de radiofrecuencia (RFI), y otros fenómenos que son comunes en los ambientes eléctricos industriales.

CLASIFICACION DE LOS SENSORES SEGÚN SU PRINCIPIO FISICO O SEGÚN LA NATURALEZA DE LA SEÑAL GENERADA

 Moduladores o Pasivos  Generadores o Activos

Moduladores o pasivos: la magnitud física a medir modifica alguno de los parámetros del sensor como por ejemplo la resistencia, la capacidad, etc. Los sensores de este tipo se caracterizan por necesitar una tensión de alimentación externa. Son ejemplo de este tipo de sensores, los basados en las resistencias cuyo valor depende de la temperatura (Termorresistivos) o de la luz (Fotorresistivos).  Si el sensor necesita un aporte de energía adicional al adquirido por la transducción se le llama modulador o pasivo, por cuanto la magnitud medida modifica o modula la alimentación suministrada  Ejemplo: sensores de parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable, de inductancia variable).

Generadores o activos: la magnitud física a medir proporciona la energía necesaria para la generación de la señal eléctrica de salida. Son ejemplo de este tipo de sensores, los basados en los efectos piezoeléctrico y termoeléctrico. Los sensores generadores producen una señal de salida directamente de la señal medida, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos

tipos de accionadores o

aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas. Ejemplo: sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos.

ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL

Los acondicionadores de señal, son los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Consisten normalmente en circuitos electrónicos que ofrecen entre otras funciones, las siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancias y modulación o demodulación. A menudo, las señales de salida de los sensores se digitalizan y se procesan utilizando ordenadores o sistemas basados en microcontroladores. Por ejemplo, para compensar los errores de medida debidos a posibles ruidos aleatorios puede realizarse un promediado de esta señal. Si se considera, por ejemplo, el caso en que una de las etapas de tratamiento de la señal de medida es digital, si la salida del sensor es analógica, que es lo más frecuente, hará falta un convertidor A/d. Estos tienen una impedancia de entrada

limitada, exigen que la señal aplicada sea continua o de frecuencia baja, y que su amplitud esté entre unos límites determinados. Todas estas exigencias obligan a interponer un acondicionador de señal entre el sensor.

SALIDA: REGISTRO O PRESENTACIÓN EN PANTALLA DE LA SEÑAL

Los resultados del proceso de medición deben ser mostrados en una forma que el operador humano puede percibir, la mejor forma de la pantalla puede ser numérica o gráfica, discreta o continua, permanente o temporal - dependiendo del mensurando particular y cómo el operador utilizará la información controles de usuario y la pantalla de salida se ajustan a las directrices de ingeniería factores humanos y preferían las prácticas para el diseño de dispositivos médicos El display puede ser análogo o digital. El objetivo principal de un display es hacer perceptible una señal para nuestros sentidos. De manera visual pueden utilizarse displays análogos para señales que cambian continuamente. Displays digitales cuando queremos tener un valor exacto. Hay señales que son mejor percibidas por otros sentidos, por ejemplo el efecto Doppler se hace reconocible a través del sentido auditivo

Pantallas de monitores.

Pantallas digitalizadas.

Una correcta presentación y adecuado despliegue de la información fisiológica suministrada por un dispositivo biomédico constituye un factor preponderante a la hora de valorar clínicamente a un paciente, emitir un diagnostico medico acertado a la condición patológica y expedir una formulación farmacológica apropiada. Por lo tanto las interfaces de visualización y presentación de señales biomédicos así como otra información

médica relevante, representan una etapa

fundamental a tener en cuenta en el diseño de equipos médicos. Las interfaces de visualización de dispositivos biomédicos pueden incluir la representación morfológica

de

una

señal

biomédica,

como

es

el

caso

de

la

señal

electroencefalografía, desplegar información numérica acerca de un parámetro biomédico (frecuencia respiratoria) ofrecer datos o leyendas sobre las condiciones clínicas del paciente (taquicardia, apnea) revelar alarmas cuando algún parámetro clínico esta por fuera de los rangos convencionales, presentar los resultados de los diagnósticos emitidos en el caso de sistemas expertos y/o incluir iconos para la

configuración del sistema. Adicionalmente, las interfaces de visualización conforman el medio a través del cual se puede obtener información acerca del estado y configuración del equipo, ofreciendo datos como frecuencia de muestreo. Niveles de ganancia de los sistemas de amplificación, frecuencias de cortes de las etapas de filtrado y las condiciones de conexión o no del paciente al equipo. En este sentido en las tareas de ajuste, calibración y configuración del dispositivo biomédico, las interfaces de visualización ofrecen una gran ayuda para la labor desarrollada por el personal de mantenimiento.

ELEMENTOS AUXILIARES

Una señal de calibración con las propiedades del mesurando se debe aplicar a la entrada del sensor o temprano en la cadena de procesamiento de señales como sea posible, muchas formas de control y retroalimentación puede ser necesaria para provocar el mesurando para ajustar el acondicionamiento del sensor y la señal, y para dirigir el flujo de salida para su visualización, almacenamiento o control de la transmisión y la retroalimentación, este puede ser manual o automático. los datos pueden

ser

almacenados

brevemente

para

cumplir

los

requisitos

de

acondicionamiento de la señal o para permitir al operador examinar los datos, condiciones de alarma o datos pueden ser almacenados antes del acondicionamiento de señal, de modo que diferentes esquemas de procesamiento pueden ser utilizados, los principios convencionales de comunicación a menudo pueden ser utilizados para transmitir datos a pantallas remotas en las estaciones de enfermeras centros médicos o médicas instalaciones de procesamiento de datos Existen además elementos auxiliares. Señales de calibración, señales de control y retroalimentación (feedback) tanto para la toma de la medida como para ajustar el sensado y el acondicionamiento de la señal. Así mismo teniendo en cuenta las nuevas tendencias de la asistencia médica, que intenta desplazar el espacio de recuperación del paciente desde el ambiente hospitalario hasta su sitio de trabajo o

residencia, y de esta forma hacerlo participe y actor fundamental de su tratamiento, exige el diseño de dispositivo biomédico portátil y autónomo que pueden ser utilizados en el domicilio y oficina del paciente. Los datos pueden ser además almacenados (imágenes médicas, estudios electrofisiológicos) o transmitidos (telemedicina).

Telemedicina

CONCLUSIONES

Uno de los objetivos de la instrumentación médica es la captura de las señales biológicas. Como ejemplos de señales biológicas se tienen los biopotenciales, presión, flujo, temperatura, concentración de iones, entre otros. Sensar y cuantificar estas variables no es simple. Por esto es necesario la implementación de circuitos electrónicos y el uso de transductores. La instrumentación médica es por lo tanto un campo multidisciplinario que requiere conocimiento en diversas áreas como electrónica digital y analógica, teoría de control, sistemas y señales, seguridad eléctrica y biocompatibilidad de materiales, entre otros.

BIBLIOGRAFÍA

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Carmen Müller-Karge. 2007. IV Latin American Congress on Biomedical Engineering, Bioengineering

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