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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD Dr. RAFAEL BELLOSO CHACIN
FACULTAD DE INGENIERIA
Prof: Ing. José Orozco. M.Sc.C.I. 11871532
ELECTROMEDICINAUNIDAD I: Introducción a la Bioingeniería
La Bioingeniería
Ingeniería
Bioingeniería
Biología
Áreas de inserción:
Área empresaria: Asesoramiento, capacitación,
diseño de producto, generación, gestión de calidad, instalación de
equipamiento, planeamiento, servicio técnico.
Área hospitalaria: Aparatología, desarrollos técnicos,
dirección, gestión de compra, mantenimiento, planeamiento,
seguridad hospitalaria.
Centros de investigación:
Investigación básica y
aplicada
Organismos públicos: Control, reglamentaciones,
normativa, pliegos de adquisición de
tecnología médica.
Universidades e instituciones de
educación: Docencia,
investigación y
extensión.
Ingenieros Biomédicos
oIngenieros
Clínicos
Trabajan dentro de un Hospital, Clínica o Empresa dedicada al Desarrollar o Mantenimiento de Equipos Médicos.
Comprende una sólida base en ingeniería conjugada con los
conocimientos fundamentales de medicina y biología, complementadas con electrónica, informática, robótica,
óptica, controles, etc.
La estructura y conformación del organismo humano, las relaciones anátomo - funcionales y los principios fisicoquímicos, cualitativos y cuantitativos que lo rigen.
Los principios biológicos y fisiopatológicos de la enfermedad. Las bases para el diagnóstico y tratamiento.
Los elementos para el diseño, análisis y construcción de equipamiento médico.
Las propiedades físicas y fisicoquímicos de materiales tecnológicos de interés biomédico y biocompatibles.
La estructura y funcionamiento de hospitales de diferente complejidad. Seguridad eléctrica y otros factores de riesgo en el hospital.
El bioingeniero para todo esto debe además de su formación en el campo de la biología formarse fuertemente en matemáticas, electrónica, informática y controles.
Intervenir en la creación de condiciones de asepsia y seguridad, mediante la aplicación de equipos de medición y radiación.
Obtener datos necesarios para el diagnóstico médico, mediante procedimientos electrónicos, mecánicos, acústicos u ópticos.
Proporcionar apoyo técnico en los tratamientos médicos que requieran la utilización de instrumental electrónico, mecánico, acústico u óptico.
Efectuar el control de la calidad y de las condiciones de funcionamiento de todo tipo de prótesis y órtesis.
Supervisar y coordinar la reparación, mantenimiento y optimización de los equipos médicos
Asesorar sobre las necesidades y utilización de tecnología médica.
Diseñar, proyectar y ejercer la dirección técnica de la producción de tecnología médica.
Realizar estudios e investigaciones relacionadas con:
◦ La utilización de los conocimientos y métodos de la física para la producción de modificaciones en los sistemas biológicos.
◦ Las interrelaciones entre los sistemas físicos y los sistemas biológicos.
Incumbencias de los Bioingenieros
Conocimientos de la
Electrónica
Medicina
Electromedicina
Un equipo médico es un instrumento, aparato, implemento, dispositivo, que es:
Concebido para el uso en el diagnóstico de una enfermedad o en la cura, mitigación, tratamiento, o prevención de una enfermedad en seres humanos o en animales.
Concebido para afectar la estructura o cualquier función del cuerpo de los seres humanos o animales, pero no realiza dicha función a partir de procesos químicos y no depende del metabolismo humano o animal para la obtención del resultado deseado.
Equipo Médico
Equipos para Diagnóstico
Son aquellos que se utilizan para determinar patologías, medir o analizar información.
Ejemplos:• Equipo de Rayos X• Electrocardiógrafo• Tomógrafo• Monitor de Signos
Vitales• Ultrasonido• Tensiómetro• Equipo de ORL
Clasificación de los EquiposMédicos según su uso
Equipos para Tratamiento
Son aquellos que realizan una alteración sobre el paciente para modificar la patología y lograr su bienestar.
Ejemplos:• Máquina de Diálisis• Bomba de Infusión• Acelerador Lineal• Ventilador Mecánico• Incubadora• Desfibrilador• Máquina de Anestesia
Equipos Auxiliares
Adicionalmente a las dos grandes categorías de equipos médicos expuestos anteriormente, existe un pequeño grupo de equipos que desempeñan funciones de apoyo o auxiliares.
Ejemplos:• Cama Eléctrica• Esterilizador• Mesa Quirúrgica• Negatoscopio• Reveladora de Placas• Lámpara Cialítica
Diagrama en Bloque de un Equipo de Diagnostico y
Tratamiento
Diagrama en Bloque de un Equipo de Tratamiento
Medida: Cantidad Física, propiedad o condición que el sistema mide, la cual puede ser una medida interna, sobre la superficie del cuerpo, emanada del cuerpo o derivada de una muestra de tejido.
Sensor: Es el encargado de convertir una medida física en una señal eléctrica.
Procesamiento de Señal: Es el encargado de procesar la señal bien sea amplificando y filtrando o convertidas en señales digitales para ser procesadas por circuitos digitales complejos o por microcomputadores.
Visualización: El resultado de la medida procesada debe ser mostrado de forma tal que un operador humano la pueda percibir.
Elementos Auxiliares: ◦ Señal de calibración: son señales con propiedades similares a la señal
medida, debe ser aplicada a la entrada del sensor o al principio de procesamiento de señal.
◦ Control y retroalimentación: este puede ser automático o manual. Se toma muestra de la señal medida, se procesa para luego ajustar el sensor y dirigir el flujo de la salida al visualizador, almacenar la información o para su transmisión.
◦ Almacenaje de data: la data puede ser almacenada brevemente para conocer los requerimientos de condición de señal o para habilitar al operador para examinarla después de una condición de alarma.
◦ Transmisión de data: principios convencionales de comunicación pueden ser aplicados para transmitir la data a sitios remotos tales como estación de enfermeras, centros médicos, entre otros.
La estadística es aplicada en el campo médico para el diseño de experimentos y estudios clínicos; para resumir, analizar, explorar y presentar datos; para dibujar las inferencias de los datos por estimación prueba de hipótesis; para evaluar procedimientos de diagnósticos; y para asistir en decisiones del mercado clínico.
La media:
n
xiX
___
nnxxxxGM .....321
La media geométrica:
La desviación estándar:
1
2_
n
x
sXi
El coeficiente de variación:
%100_
X
sCV
El coeficiente de correlación:
2_2_
__
YX
YX
ii
ii
yx
yx
r
Exactitud: Es la diferencia entre el valor verdadero y el valor medido dividido por el valor verdadero.
Precisión: Es la alternativa distinguible de la que un resultado en particular es seleccionado.
Resolución: Es la más pequeña cantidad incremental que puede ser medida con certeza. La resolución expresa el grado al que valores casi iguales de una cantidad puedan ser discriminados.
Reproducibilidad: La habilidad de un instrumento para dar la misma salida para iguales entradas aplicadas durante algún período de tiempo.
Control estadístico: Asegura que variaciones aleatorias en cantidades medidas que resulten de todos los factores que influyen sobre el proceso de medidas sean tolerables.
Sensibilidad estadística: Es la relación entre la cantidad incremental de la salida a la cantidad incremental de entrada.
La sensibilidad estadística puede ser constante solo para una parte de un rango de la operación normal de un instrumento.
Para una relación de datos salida-entrada que indica una curva de calibración en línea recta, la pendiente y la intercepción para la línea con la suma mínima cuadrado de las diferencias entre los datos y la línea son dada por:
bmxy
xxn
xyxxyb
xxn
yxyxnm
d
dd
diddi
dd
idid
ii
iii
ii
ii
22
2
22
Tendencia a cero: Esta a ocurrido cuando todos los valores de salida incrementan o disminuyen por la misma cantidad absoluta.
Tendencia a la Sensibilidad: Cuando la pendiente de la curva de calibración cambia como resultado de una entrada de interferencia y/o entrada modificada. Esto causa un error que es proporcional a la magnitud de la entrada.
Linealidad: Un sistema o elemento es lineal si tiene una propiedad tal que si y1 es la respuesta a x1, y y2 es la respuesta a x2, entonces y1 + y2 es la respuesta a x1 + x2 , y Ky1 es la respuesta a Kx1.
En la practica ningún, instrumento tiene un comportamiento perfectamente lineal, así que una medida o desviación de la linealidad es necesario. La no linealidad independiente expresa la máxima desviación del punto desde los mínimos cuadrados quedando la línea a ±A% de la lectura o ±B% a ful escala.
Rango de entrada: Representa el alcance máximo de la cantidad de entrada permitida.
Impedancia de entrada: Debido a que los sensores biomédicos e instrumentos, usualmente convierten cantidades no eléctricas en voltajes o corrientes, es necesario introducir el concepto de impedancia de entrada. La impedancia de entrada es la relación del fasor equivalente de un estado estable de esfuerzo senoidal de entrada variable (voltaje, fuerza, presión) al fasor equivalente de un estado estable de flujo senoidal de entrada variable (corriente, velocidad, flujo).
La potencia es la rata de tiempo de la energía transferida del medio de medición.
xdx
ddd
d
dx
ZxZ
xxxP
iablevarflujo
iablevaresfuerzo
x
xZ
22
2
1
21
2
1
Muchos instrumentos médicos procesan señales que son funciones del tiempo lo cual corresponde a los sistemas denominados Dinámicos. La relación salida-entrada para un sistema dinámico es expresada de la siguiente forma:
)(01)(01 ...... tm
m
mtn
n
n xbdt
dxb
dt
xdbya
dt
dya
dt
yda
Donde ai y bi son constantes y dependen del de los parámetros físicos y eléctricos del sistema
La función de transferencia para un sistema dinámico en forma general esta dado por:
En el dominio de “s”
011
1
011
1
)(
)(
...
...
asasasa
bsbsbsb
X
Yn
nn
n
mm
mm
s
s
011
1
011
1
)(
)(
)2(...)2()2(
)2(...)2()2(
afjafjafja
bfjbfjbfjb
X
Yn
nn
n
mm
mm
f
f
En el dominio de “f”
Para un instrumento de orden cero:
estáticaadsensibilidKa
b
X
Y
s
s 0
0
)(
)(
tiempo de constante
estáticaadsensibilidK
fj
K
faaj
ab
X
Y
f
f
21)/(21
/
01
00
)(
)(
Para un instrumento de primer orden:
Para un instrumento de segundo orden:
ientoamortiguamdeecoeficient
naturalfrecuencia
estáticaadsensibilidK
fjfj
K
X
Y
aafaafjaaa
ab
X
Y
n
nnf
f
f
f
22)(
)(
220
2220201
00
)(
)(
/)2(/)2(21
)//(4//)2))(2/((21
/
Fracciones Parciales
r
i
ni
m
i
ii
n
i
ii
m
i
ii
ips
sb
sa
sbsF
1
0
0
1)(
i
i
i
i
i
psn
ikn
kn
iik
n
r
i
n
kk
i
ikn
sFpsds
d
knc
nmb
ps
cbsF
!
1
queser no a 0
donde
1 1
Sea la función racional:
El desarrollo en fracciones parciales esta dado por.
Representacion de Señales
Toda señal electrica puede ser representada mediante una serie de componentes espectrales. Para lograr esto se recurre a:
• Series de Fourier para señales periodicas de tiempo continuo
• Transformadas de Fourier para señales aperiodicas de tiempo continuo.
• Transformadas Discretas de Fourier para señales de tiempo discretas
Representacion de Señales
La expanción en serie de fourrier para una señal esta dada por:
T
on
T
n
T
nnn
dttnsentxT
b
dttntxT
a
dttxT
a
tnsenbtnaatx
0
0 0
00
1000
)()(2
cos)(2
)(1
:donde
cos)(
En serie compleja es:
dtetxT
C
eCtx
T tjnn
n
tjnn
0
0
0
)(1
:donde
)(
Representacion de Señales
La transformada de Fourier esta dada por:
dtetxfX tj
)()(
Mientras que la Transformada discreta de Fourier esta dada por:
1
0
2
)()(N
n
N
nkj
enxkX
Representacion de Señales
A manera de ejemplo tenemos que la forma de onda de la presión sanguinea se puede descomponer en la suma de diferentes frecuencia harmónicas como se aprecia a continuación:
