La bioinstrumentación o instrumentación biomédica es una aplicación de la ingeniería biomédica que se centra en el desarrollo de dispositivos y mecanismos utilizados para medir, evaluar y tratar sistemas biológicos. El objetivo de la instrumentación biomédica se centra en el uso de múltiples sensores para monitorear las características fisiológicas de un ser humano o animal con fines de diagnóstico y tratamiento de enfermedades. [1] Dicha instrumentación se originó como una necesidad de monitorear constantemente los signos vitales de los astronautas durante las misiones Mercury , Gemini y Apollo de la NASA . [2] [ dudoso – discutir ]
La bioinstrumentación es un campo nuevo y prometedor que se centra en el tratamiento de enfermedades y en unir los mundos de la ingeniería y la medicina. La mayoría de las innovaciones en este campo se han producido en los últimos 15 a 20 años, a partir de 2022. La bioinstrumentación ha revolucionado el campo médico y ha facilitado mucho el tratamiento de los pacientes. Los instrumentos/sensores producidos por el campo de la bioinstrumentación pueden convertir las señales que se encuentran dentro del cuerpo en señales eléctricas que se pueden procesar en algún tipo de salida. [3] Hay muchos subcampos dentro de la bioinstrumentación, que incluyen: opciones biomédicas, creación de sensores, pruebas genéticas y administración de fármacos. [4] Los campos de la ingeniería, como la ingeniería eléctrica, la ingeniería biomédica y la informática, son las ciencias relacionadas con la bioinstrumentación. [3]
Desde entonces, la bioinstrumentación se ha incorporado a la vida cotidiana de muchas personas, con teléfonos inteligentes con sensores aumentados capaces de medir la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno , y la amplia disponibilidad de aplicaciones de fitness , con más de 40.000 aplicaciones de seguimiento de la salud solo en iTunes . [5] Los dispositivos de seguimiento de la actividad física que se llevan en la muñeca también han ganado popularidad, [6] con un conjunto de sensores integrados capaces de medir la biometría del usuario y transmitirla a una aplicación que registra y rastrea la información para realizar mejoras.
El modelo de un sistema de instrumentación generalizado requiere sólo cuatro partes: un mensurando, un sensor, un procesador de señales y una pantalla de salida. [7] Los dispositivos de instrumentación más complicados también pueden designar funciones de almacenamiento y transmisión de datos, calibración o control y retroalimentación. Sin embargo, en esencia, un sistema de instrumentación convierte energía o información de una propiedad física que de otro modo no sería perceptible en una pantalla de salida que los usuarios pueden interpretar fácilmente. [8]
Algunos ejemplos comunes incluyen:
El mensurando puede clasificarse como cualquier propiedad física, cantidad o condición que un sistema podría querer medir. Hay muchos tipos de mensurandos, incluidos el biopotencial, la presión, el flujo, la impedancia, la temperatura y las concentraciones químicas. En los circuitos eléctricos, el mensurando puede ser la diferencia de potencial a través de una resistencia. En física, un mensurando común podría ser la velocidad . En el campo médico, los mensurandos varían desde biopotenciales y temperatura hasta presión y concentraciones químicas. Es por eso que los sistemas de instrumentación constituyen una parte tan grande de los dispositivos médicos modernos . Permiten a los médicos obtener información precisa y actualizada sobre varios procesos corporales.
Pero el mensurando no sirve de nada sin el sensor correcto para reconocer esa energía y proyectarla. La mayoría de las mediciones mencionadas anteriormente son físicas (fuerzas, presión, etc.), por lo que el objetivo de un sensor es tomar una entrada física y crear una salida eléctrica. Estos sensores no difieren, en gran medida, en concepto de los sensores que utilizamos para rastrear el clima, la presión atmosférica, el pH, etc. [9]
Normalmente, las señales que recoge el sensor son demasiado pequeñas o están confusas por el ruido como para tener algún sentido. El procesamiento de señales simplemente describe las herramientas y los métodos generales que se utilizan para amplificar, filtrar, promediar o convertir esa señal eléctrica en algo significativo.
Por último, la pantalla de salida muestra los resultados del proceso de medición. La pantalla debe ser legible para el operador humano. Las pantallas de salida pueden ser visuales, auditivas, numéricas o gráficas. Pueden tomar mediciones discretas o monitorear continuamente el mensurando durante un período de tiempo.
Sin embargo, la instrumentación biomédica no debe confundirse con los dispositivos médicos . Los dispositivos médicos son aparatos que se utilizan para el diagnóstico, el tratamiento o la prevención de enfermedades y lesiones. [10] [11] La mayoría de las veces, estos dispositivos afectan la estructura o función del cuerpo. La forma más fácil de diferenciarlos es que los instrumentos biomédicos miden, detectan y emiten datos, mientras que los dispositivos médicos no lo hacen.
Ejemplos de dispositivos médicos:
La ingeniería biomédica y la bioinstrumentación son términos nuevos, pero la práctica que los sustenta existe desde hace muchas generaciones. Desde el comienzo de la humanidad, los seres humanos han utilizado lo que tenían a su disposición para tratar los problemas médicos que se les presentaban. La ingeniería biomédica alcanzó su máximo desarrollo en el siglo XIX. En los últimos años, la ingeniería biomédica ha ganado popularidad y se ha centrado en crear soluciones para problemas de la fisiología humana. Desde entonces, inventos como los rayos X y los estetoscopios han avanzado y revolucionado el campo de la medicina. [12]
El concepto de ingeniería biomédica se desarrolló después de la Segunda Guerra Mundial. La invención de la primera válvula cardíaca artificial se implantó con éxito en 1952, el primer riñón artificial se creó en la década de 1940 y una máquina de circulación extracorpórea se utilizó con éxito en una cirugía cardíaca humana en 1953. [13] Estos avances son hitos importantes dentro del campo médico, ya que brindan procedimientos que cambian la vida. El desarrollo de la tomografía por emisión de positrones (PET) fue un avance significativo dentro del campo biomédico. La tomografía por emisión de positrones fue inventada por Edward Hoffman y Michael E. Phelps en 1974. [14] La máquina proporciona una prueba de imagen efectiva para comprender la actividad metabólica dentro de los tejidos y órganos del paciente. [15]
La bioinstrumentación fue desarrollada por primera vez en serio por la NASA durante sus primeras misiones espaciales, para comprender mejor cómo los viajes espaciales afectaban a los humanos. Estos primeros conjuntos de sensores de bioinstrumentación construidos por la NASA monitoreaban constantemente el ECG , la respiración y la temperatura corporal de los astronautas; y más tarde medían la presión arterial . [16] Esto permitió a los médicos monitorear los signos vitales de los astronautas para detectar posibles problemas. Los datos tomados de la bioinstrumentación del ECG del Apolo 15 mostraron períodos de arritmia cardíaca, que los médicos y los planificadores utilizaron para alterar la carga de trabajo esperada, la dieta y los medicamentos en los botiquines médicos de a bordo. [2]
Una estructura generalizada para el desarrollo de dispositivos médicos se desprende de la determinación de una condición clínica de un paciente como la diabetes . [17] Entonces, el parámetro fisiológico relevante a medir sería en este caso las concentraciones de azúcar en sangre, pero para otras situaciones podría ser la presión arterial, la frecuencia cardíaca, el recuento de glóbulos blancos u otras señales y cantidades en el cuerpo. A continuación, se debe determinar el método en el que se toma este parámetro fisiológico. Para alguien con diabetes tipo 1, estos podrían ser un sistema de monitoreo de glucosa con un sensor colocado justo debajo de la piel en el líquido intersticial que puede medir la concentración de glucosa. El siguiente parámetro que se elige para el desarrollo de un dispositivo de instrumentación biomédica sería el diseño del transductor , que para este ejemplo cambiaría la concentración de glucosa a un valor medible como el voltaje a través de la reacción de los productos de la glucosa y la glucosa oxidasa con una reacción de reducción que hace que fluya una corriente que se transforma en un cambio de voltaje que se medirá. El paso final para el desarrollo del dispositivo antes de la digitalización, procesamiento y visualización de la señal es el diseño del filtro y amplificador que limpiará y aumentará el tamaño de la señal fisiológica para que pueda detectarse y leerse en el dispositivo. [18] [19]
Los dispositivos médicos se dividen en tres clases principales. [20] La primera clase es el grupo de menor riesgo y son dispositivos médicos que no sustentan la vida en absoluto. Estos incluyen, por ejemplo, vendajes, sillas de ruedas y cepillos de dientes. Alrededor del treinta por ciento de los dispositivos médicos caen dentro de esta categoría. A continuación, está la clase dos con aproximadamente el sesenta por ciento de todos los dispositivos médicos donde los dispositivos médicos ahora incluyen un riesgo moderado. Estos incluyen catéteres , rayos X y manguitos de presión arterial. Finalmente, la clase tres incluye los dispositivos médicos con el mayor riesgo asociado con su uso previsto. Solo alrededor del diez por ciento de los dispositivos médicos caen dentro de esta categoría, ya que se deben mostrar parámetros especiales de seguridad a la FDA antes de su aprobación, que es mucho más estricta que las clases anteriores. Los dispositivos de clase tres incluyen marcapasos , implantes cocleares y válvulas cardíacas. [21] En general, la FDA desarrolló este sistema de clases de dispositivos médicos para agilizar el proceso de aprobación. Cuando un dispositivo médico se organiza en una clase inferior, y por lo tanto de menor riesgo, será revisado de forma menos estricta y podrá ingresar al campo médico y al mercado mucho más rápido que los dispositivos que tienen un alto riesgo y deben demostrar que son seguros y tienen beneficios en términos de riesgo. [22]
Las clases de instrumentos biomédicos incluyen:
Los dispositivos médicos también se dividen en diferentes clasificaciones de seguridad y riesgo eléctrico. Estas clases incluyen:
Las clasificaciones de aparatos de clase 1, clase 2 y clase 3 están definidas por la IEC y se utilizan para definir cómo se protege el dispositivo contra descargas eléctricas. Los dispositivos médicos de clase 1 incluyen todos los dispositivos en los que la protección contra descargas eléctricas se logra mediante el aislamiento del cable y una tierra protegida. [23] Los dispositivos médicos de clase 2 se clasifican por la presencia de al menos dos capas de aislamiento del cable: un aislamiento de capa básica y una capa de aislamiento suplementaria o una capa de aislamiento reforzado. [24] Por ejemplo, los monitores cardíacos normalmente son dispositivos IEC de clase 2. Los dispositivos médicos de clase 3 se basan en la limitación de voltajes a no más altos que el SELV. Esta clase de dispositivo no requiere ninguna protección del voltaje de entrada para el usuario. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los componentes SELV deben estar aislados por dos capas de protección de los componentes que funcionan alrededor del SELV. [25] Algunos ejemplos de dispositivos IEC de clase 3 son los marcapasos y los DEA.
Como la designación de clase de dispositivo designa el método de protección eléctrica, la designación de tipo del dispositivo denota el grado de protección contra descargas eléctricas. Esto se cuantifica por la corriente de fuga máxima permitida del dispositivo. Las designaciones de tipo están definidas por la norma IEC 60601. Las piezas aplicadas de tipo B tienen una corriente de fuga máxima de 100 μA y no se pueden conectar directamente al corazón. Las piezas aplicadas de tipo BF tienen el mismo requisito de corriente de fuga máxima, pero difieren en el hecho de que son un dispositivo aislado o flotante con contacto conductivo con el usuario. [26] Estos incluirían un dispositivo como un monitor de presión arterial. Las piezas aplicadas de tipo CF tienen los requisitos más estrictos y se utilizan para dispositivos que entran en contacto directo con el corazón. La corriente de fuga máxima es de 10 μA. Un ejemplo de piezas aplicadas de tipo CF son las máquinas de diálisis. [27]
Las partes fundamentales básicas de cualquier instrumento biomédico son las siguientes: [28]
Los sensores son el aspecto más conocido de la bioinstrumentación. Entre ellos se encuentran los termómetros, los escáneres cerebrales y los electrocardiogramas. Los sensores captan señales del cuerpo y las amplifican para que los ingenieros y los médicos puedan estudiarlas. Las señales de los sensores se amplifican mediante circuitos, tomando una fuente de voltaje y modificándolas mediante componentes de circuito como resistencias , condensadores e inductores . [29] Luego, emiten una cierta cantidad de voltaje, que se utiliza para el análisis en función de alguna relación entre el voltaje que se emite y el mensurando de interés. Los datos recopilados mediante sensores a menudo se muestran en programas informáticos. Este campo de la bioinstrumentación está estrechamente relacionado con la ingeniería eléctrica. [4]
Los circuitos utilizados para medir señales biológicas, como la actividad eléctrica del corazón y el cerebro, generalmente incorporan amplificadores operacionales como un medio para amplificar las señales relativamente minúsculas para el procesamiento de señales y el análisis de datos. [30] Un amplificador de uso común es el amplificador de instrumentación . Los amplificadores de instrumentación, como el amplificador de circuito integrado (CI) AD620, pueden amplificar la diferencia entre dos entradas de voltaje diferentes mientras mantienen un voltaje de compensación pequeño y un CMRR alto , lo que le permite amplificar señales de baja frecuencia mientras rechaza el ruido. [31]
Estos circuitos también pueden incorporar filtros para tener mejor en cuenta el ruido no deseado, ya que la pequeña escala de las señales biológicas requiere una amplia gama de filtrado para tener en cuenta el ruido generado por factores como la compensación de CC , la interferencia de otras señales biológicas o el ruido eléctrico del equipo que se utiliza.
Se implanta un marcapasos para controlar el ritmo cardíaco del paciente y enviar pulsos eléctricos para regularlo cuando es demasiado lento. Los electrodos envían pulsos eléctricos a las cámaras del corazón que permiten que el corazón se contraiga y bombee sangre. [32] Los marcapasos son para quienes tienen corazones dañados o corazones que no funcionan correctamente. La conducción eléctrica normal del corazón permite que los impulsos que se generan por el nódulo SA estimulen el músculo cardíaco que luego se contrae. Es la estimulación ordenada del músculo lo que permite una contracción eficiente del corazón, bombeando sangre a todo nuestro cuerpo. Si el marcapasos natural funciona mal, se producen latidos cardíacos anormales que pueden ser muy graves e incluso provocar la muerte. [33]
Casi todos los diabéticos tipo 1 y algunos diabéticos tipo 2 utilizan un monitor continuo de azúcar en sangre. El monitor se aplica sobre la piel del paciente e inserta un alambre fino de metal en el torrente sanguíneo. En el extremo, este alambre contiene enzimas para tomar una pequeña muestra de sangre que utiliza NAD+ para oxidar la glucosa en gluconolactona y NAD+ en NADH. Este NADH luego se descompone en la sangre en NAD+, un ion H+ y dos electrones flotantes que crean una pequeña señal, aproximadamente 1 mV, detectada por el alambre y mostrada por el dispositivo al que está conectado el transmisor. [34] Uno de los mayores problemas en el desarrollo de estos monitores de azúcar en sangre es filtrar y amplificar la minúscula señal de estas reacciones, ya que solo se puede muestrear un pequeño volumen de sangre a la vez. [35] Esto significa que solo se produce una pequeña cantidad de voltaje y, en todo el cuerpo, se envían muchas más señales eléctricas. Para filtrar esta señal, el circuito utiliza diodos de protección, que son filtros que utilizan resistencias y condensadores para eliminar del sistema las señales grandes mediante diodos Zener . [34] Una vez que se filtran las señales grandes, se utilizan varios amplificadores operacionales para fortalecer la señal, de modo que se puedan utilizar sensores de temperatura digitales, analógicos y comparadores para informar el nivel real de azúcar en sangre del paciente. [34]
Los termómetros infrarrojos se utilizan para recopilar datos de temperatura de los pacientes de forma similar a un termómetro médico normal . Sin embargo, los termómetros infrarrojos están diseñados exclusivamente para usarse a distancia, lo que permite lecturas sin contacto. La temperatura del paciente se determina capturando la radiación infrarroja que emite constantemente el cuerpo del paciente. [36] Esto se puede hacer apuntando el dispositivo a varias partes del cuerpo, lo más fiable es el extremo de la ceja derecha de la persona o su muñeca. Esto puede dar como resultado lecturas precisas y fiables de las temperaturas del paciente. [37] Este dispositivo funciona recogiendo la muestra de radiación infrarroja a través de un sensor que la convierte en señales eléctricas. El uso de la óptica y una termopila permite una conversión suave de la señal en una lectura de temperatura. La termopila absorbe y convierte la radiación en calor, lo que da como resultado un voltaje utilizable que es proporcional a la temperatura. Estos datos recién recopilados se muestran luego en una pantalla. [38]
Un respirador mecánico es una forma de soporte vital. Ayuda al paciente a respirar o ventilarse durante una cirugía o cuando el paciente no puede respirar por sí solo. El paciente está conectado al respirador a través de un tubo hueco llamado vía aérea artificial que va por su boca y baja por su tráquea. [ cita requerida ] Permanecen conectados al respirador hasta que pueden respirar por sí solos. Usamos respiradores mecánicos para disminuir el trabajo respiratorio hasta que el paciente mejore lo suficiente como para no necesitarlo más. La máquina se asegura de que el paciente reciba suficiente oxígeno y elimine el dióxido de carbono del cuerpo. Esto es necesario para pacientes en cirugía o con enfermedades críticas que impiden la respiración normal. Los beneficios de la ventilación mecánica son que el paciente no tiene que esforzarse para respirar, por lo que los músculos respiratorios del paciente pueden descansar. El paciente tiene tiempo para recuperarse y recuperar la respiración normal. Ayuda al paciente a obtener suficiente oxígeno y eliminar el dióxido de carbono, y preserva una vía aérea estable evitando lesiones por aspiración. [ 39 ]
La bioinstrumentación en el mercado comercial ha experimentado un gran crecimiento en el campo de los wearables , con dispositivos de seguimiento de actividad que se usan en la muñeca que pasaron de un valor de mercado de 0,75 mil millones de dólares estadounidenses en 2012 a 5,8 mil millones de dólares estadounidenses en 2018. [6] La bioinstrumentación también se ha agregado a los diseños de teléfonos inteligentes, y los teléfonos inteligentes ahora son capaces de medir la frecuencia cardíaca, los niveles de oxígeno en sangre, la cantidad de pasos dados y más, según el dispositivo.
La óptica biomédica es el campo de la realización de operaciones y procedimientos no invasivos a los pacientes. Este ha sido un campo en crecimiento, ya que es más fácil y no requiere que se abra al paciente. [4] La óptica biomédica es posible gracias a la obtención de imágenes como las tomografías axiales computarizadas (TAC). [40] Un ejemplo de óptica biomédica es la cirugía ocular LASIK, que es una microcirugía láser que se realiza en los ojos. Ayuda a corregir múltiples problemas oculares y es mucho más fácil que otras cirugías. [40] Otros aspectos importantes de la óptica biomédica incluyen la microscopía y la espectroscopia. [41]
La bioinstrumentación se puede utilizar para realizar pruebas genéticas. Esto se hace con la ayuda de la química y de instrumentos médicos. Los profesionales en este campo han creado instrumentos de análisis de tejidos, que pueden comparar el ADN de diferentes personas. Otro ejemplo de pruebas genéticas es la electroforesis en gel. La electroforesis en gel utiliza muestras de ADN, junto con biosensores para comparar la secuencia de ADN de individuos. [40] Otros dos instrumentos importantes involucrados en los avances genómicos son la tecnología de microarrays y la secuenciación de ADN. Los microarrays revelan los genes activados y reprimidos de un individuo. La secuenciación de ADN utiliza láseres con diferentes longitudes de onda para determinar los nucleótidos presentes en diferentes cadenas de ADN. La bioinstrumentación ha cambiado el mundo de las pruebas genéticas y ayuda a los científicos a comprender el ADN y el genoma humano mejor que nunca. [40]
La bioinstrumentación ha mejorado enormemente la administración de fármacos y las máquinas de asistencia. Se han creado bombas para administrar fármacos como la anestesia y la insulina. [42] Antes, los pacientes tenían que visitar al médico con más frecuencia, pero con estas bombas pueden tratarse a sí mismos de una manera más rápida y económica. Las máquinas de asistencia incluyen audífonos y marcapasos. Ambos utilizan sensores y circuitos para amplificar señales y revelar cuándo el paciente tiene un problema. [4]
Los bioinstrumentos se utilizan enormemente en el campo de la agricultura para monitorear y tomar muestras del suelo, así como para medir el crecimiento de las plantas. La biotecnología en la agricultura requiere el manejo de genomas vegetales compuestos, lo que se hace mediante una instrumentación compleja. Se utilizan dispositivos como los tensiómetros para medir el contenido de humedad del suelo, lo que ayuda a mantener las condiciones más favorables para el crecimiento de los cultivos. Al conectarle un transductor eléctrico, se pueden monitorear los datos del cultivo a intervalos regulares en términos de humedad del suelo y perfil hídrico. [40]
En el campo de la botánica, los bioinstrumentos se utilizan ampliamente para medir la digestión de las plantas. El monitor de fotosíntesis PTM-48A se utiliza para registrar las cualidades fisiológicas de una planta, como el intercambio de dióxido de carbono, la humedad de las hojas, la fotosíntesis neta y la conductancia estomática. [40] El PTM-48A se utiliza para analizar el intercambio de CO2 y la transpiración de las hojas a través de un sistema abierto automático con cuatro canales. Las capacidades de este dispositivo incluyen la medición del intercambio de CO2 de las hojas, la concentración de CO2 en el aire, la radiación fotosintéticamente activa, el déficit de vapor de aire, etc. [43] El paquete del dispositivo incluye CONSOLA DE SISTEMA PTM-48A, CÁMARA DE HOJAS LC-4B (4 uds.), MEDIDOR RTH-48, ADAPTADOR DE ALIMENTACIÓN DE 12 VCC, SOPORTE PARA CÁMARA DE HOJAS (4 uds.), MANGUERA DOBLE DE PVC DE 4 m (4 uds.), TRÍPODE DE ACERO INOXIDABLE, CABLE DE COMUNICACIÓN RS232 PARA PC, CD DE DOCUMENTACIÓN Y CONFIGURACIÓN DE SOFTWARE, ABSORBEDOR DE CO2 , FILTRO DE AIRE DE REPUESTO y GUÍA DEL USUARIO. [43]
Un sistema de imágenes es un sistema que crea imágenes de varias partes del cuerpo según lo que se necesite analizar. El sistema se utiliza para diagnosticar afecciones antes de que se vuelvan demasiado graves. Algunos ejemplos de sistemas de imágenes incluyen rayos X, tomografía computarizada (TC), imágenes por resonancia magnética (IRM) y ultrasonido. Una radiografía es un procedimiento no invasivo que analiza los huesos y los tumores. Una desventaja de hacerse una radiografía es la exposición a la radiación que puede provocar otras afecciones. Una tomografía computarizada es una combinación de varios rayos X que proporciona una imagen detallada de los órganos y las capas de tejido del cuerpo. Una desventaja es el ligero aumento del riesgo de cáncer, ya que este procedimiento no invasivo expone al paciente a la radiación [44].
Los bioinstrumentos como el sistema ChemiDoc Touch son un sistema de imágenes para electroforesis y transferencia Western integrado con una pantalla táctil en una supercomputadora. Utiliza bandejas específicas para aplicaciones de quimioluminiscencia e identificación UV para ofrecer alta sensibilidad y calidad de imagen. [45]
Un sistema de medición de la presión arterial (PA), específicamente un monitor de presión arterial que se coloca en la muñeca, funciona mediante una tonometría de aplanación con un émbolo hemisférico colocado en la arteria radial. Dispositivos como el tensiómetro ambulatorio mejoraron el tratamiento de la hipertensión, pero siguen siendo poco utilizados y resultan incómodos. Innovaciones emergentes como HealthSTATS International en Singapur crearon un dispositivo de medición de la presión arterial que se coloca en la muñeca (BPro) y que mediría la presión arterial mediante tonometría arterial. [46]
Antes de que existieran los tensiómetros de muñeca, la presión arterial se tenía que medir de forma invasiva insertando un catéter en la arteria. El catéter está conectado a una bolsa de líquido y a un monitor, que registra la presión arterial a lo largo del tiempo. Como se trata de un procedimiento muy invasivo, tenía que realizarse en un centro médico, mientras que la nueva tecnología de los tensiómetros permite controlar la presión arterial desde el hogar de la persona. En comparación con las mediciones de presión arterial escritas, se ha demostrado que la monitorización invasiva de la presión arterial da como resultado una lectura más precisa, aunque tiene inconvenientes, como el riesgo de infección. [47]
La importancia de los sistemas de control de la salud de los astronautas ha ido aumentando a medida que la duración de las misiones espaciales ha ido aumentando de forma constante. Con el sistema de bioinstrumentación de los trajes espaciales existentes, el desarrollo de sistemas de bioinstrumentación de próxima generación ha hecho posible proporcionar un mejor control de la salud durante la actividad extravehicular. Esto sería especialmente útil en las fases más exigentes físicamente en los vuelos espaciales. [1] La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) ha desarrollado sensores telemétricos para controlar los cambios fisiológicos en modelos animales en el espacio en su programa Sensors 2000!. Estos sensores miden parámetros fisiológicos, como temperatura, biopotenciales, presión, flujo y aceleración, niveles químicos, y transmiten estas señales desde los animales a un receptor a través de una conexión de enlace. [48]
La instrumentación biomédica se ha utilizado en el mundo médico de la cirugía desde el principio de los tiempos y continúa evolucionando para mejorar la atención al paciente. La integración continua de la robótica de asistencia y la imagenología ha permitido que las cirugías sean más precisas y menos invasivas. Los dispositivos de sistemas de imagenología, como cámaras, ultrasonidos , rayos X, resonancias magnéticas , tomografías por emisión de positrones y tomografías computarizadas, se han utilizado para identificar trastornos dentro del cuerpo. Durante la cirugía, se pueden utilizar ultrasonidos y cámaras adjuntas a dispositivos para permitir la visión del área de tratamiento. [49]
Los dispositivos de asistencia robótica son instrumentos médicos que permiten a los médicos realizar una cirugía con una incisión de tamaño mínimo. El uso del dispositivo de asistencia puede permitir que se completen cirugías complicadas en menos tiempo. El robot imita los movimientos del médico dentro del cuerpo con precisión, lo que garantiza la seguridad del procedimiento. La tecnología de asistencia robótica generalmente incluye una cámara, un brazo mecánico y una consola de algún tipo para permitir el control. [50] Cuando se utilizan dispositivos de asistencia para procedimientos mínimamente invasivos, muchos encuentran que otro resultado es tiempos de recuperación más cortos. Aunque la robótica de asistencia se utiliza en cirugía y existen varias ventajas de su uso, hay algunas consideraciones importantes. Si ocurre una complicación importante con la cirugía, se eliminará el sistema robótico y se deberán utilizar métodos anteriores. Junto con eso, la tecnología de asistencia robótica sigue siendo bastante cara, por lo que se realizan más investigaciones y mejoras constantemente. [51]
Los avances en anestesia también se han producido gracias a las innovaciones en los dispositivos. Durante una cirugía, el anestesiólogo debe controlar y evaluar la frecuencia cardíaca, la respiración, el dolor, la temperatura corporal, el equilibrio de líquidos, la presión arterial y muchos otros signos vitales del paciente. Por este motivo, la estación del anestesiólogo está llena de dispositivos médicos. Uno de los principales dispositivos es la máquina de anestesia, que se centra en la administración de la medicación anestésica en forma de vapor, la oxigenación y la ventilación. [52]
Los electrocardiogramas, o ECG , son instrumentos médicos que se utilizan para rastrear la actividad eléctrica del corazón. [53] El cerebro envía señales a través de los nervios en el cerebro y/o la médula espinal que luego se generan y propagan en el corazón a través del sistema de conducción cardíaca (CCS). [54] Los impulsos comienzan en el tejido nodal, viajan al nódulo sinusal y luego rápidamente a través del miocardio auricular, contrayendo las aurículas simultáneamente, luego finalmente comienza a disminuir la velocidad a medida que alcanza el nódulo auriculoventricular donde permite que los ventrículos tengan tiempo de llenarse. [54] El impulso gana velocidad nuevamente a medida que ingresa al haz de His y luego se divide en izquierdo y derecho en las fibras de Purkinje y finalmente llega a los cardiomiocitos ventriculares que trabajan que se despolarizan causando una contracción y bombeo de sangre a la aorta y la arteria pulmonar. [55] Toda esta actividad eléctrica se puede medir y registrar mediante un ECG.
Los electrocardiogramas utilizan electrodos y cables conductores para leer la actividad eléctrica del corazón y mostrarla en un monitor. Para monitorear estas señales eléctricas podemos colocar electrodos en la piel que son capaces de detectar estas fluctuaciones eléctricas donde la actividad eléctrica hacia un cable causa una desviación hacia arriba mientras que la actividad eléctrica que se aleja del cable causa una desviación hacia abajo y podemos analizar el gráfico creado por estos impulsos eléctricos y ver qué está sucediendo en el corazón. [56] Esto se conoce como electrocardiograma o ECG y mide la actividad eléctrica en el corazón registrando los impulsos eléctricos y el movimiento del corazón.
El patrón de onda básico consta de la onda P, el complejo QRS y la onda T; la onda P representa la despolarización auricular, el complejo QRS son tres ondas de despolarización ventricular en diferentes áreas de los ventrículos (que enmascaran la repolarización auricular) y la onda T muestra la repolarización ventricular. Es importante comprender esta representación visual porque incluso las anomalías más leves pueden tener consecuencias fatales si no se detectan y tratan a tiempo.
Los electrocardiogramas se utilizan para diagnosticar una variedad de afecciones cardíacas, como arritmias y miocardiopatía hipertrófica. Algunos de los problemas cardíacos comunes que puede detectar un ECG incluyen el diagnóstico de arritmias en el corazón e intervalos de onda prolongados, incluido el intervalo QT prolongado (que es un factor de riesgo para las arritmias ventriculares) y ambas afecciones se diagnostican únicamente mediante ECG. [57] La elevación y alteración de las ondas también son indicadores de problemas de salud subyacentes, incluida la enfermedad de la arteria coronaria y el infarto de miocardio. [57] Otras enfermedades cardiovasculares, como miocarditis, pericarditis, fibrosis miocárdica, amiloidosis y otras, también pueden representarse como alteraciones de la curva. [57] Estos cambios son más importantes que nunca para detectarlos de forma temprana porque las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo con aproximadamente 17,9 millones de muertes al año. [57] El uso del ECG no sólo puede ayudar a diagnosticar problemas cardíacos, sino que las alteraciones de la curva pueden alertar sobre desequilibrios electrolíticos, hipertiroidismo e hipotiroidismo y diversos trastornos del sistema nervioso central. [57]
La tecnología existente incluye la máquina de ECG tradicional que se utiliza principalmente en un entorno clínico y monitores portátiles que se pueden usar durante períodos prolongados de tiempo para monitorear el corazón durante más tiempo. [57] Los ECG tradicionales son mucho más precisos dado que constan de 12 derivaciones, sin embargo, conllevan el compromiso de la comodidad y la función del paciente. [57] Las 12 derivaciones del ECG tradicional son 3 derivaciones bipolares de las extremidades, tres derivaciones unipolares de las extremidades y 6 derivaciones torácicas unipolares y brindan una mejor precisión espacial y se utilizan con mayor frecuencia en la atención ambulatoria y para la prueba de esfuerzo con ejercicio que monitorea la actividad del corazón. [57] A medida que el desarrollo de la tecnología de ECG ha progresado, ha llevado a la innovación de sensores de parche, arneses de pecho y más para limitar las restricciones utilizando un número variable de electrodos y derivaciones adjuntas. [57] Los requisitos de ECG implican cumplir con muchos estándares que incluyen pautas para un uso seguro, colocación de electrodos, protección contra descargas eléctricas y requisitos de seguridad básica. [58]
El objetivo principal del circuito de electrocardiograma es amplificar la señal que proviene del corazón, que es relativamente pequeña. [59] Los electrocardiogramas se consideran un dispositivo médico de clase II. [60]
La bioinstrumentación en la investigación tiene una variedad de aplicaciones, desde la recopilación de datos estándar hasta la prueba de prototipos. Un ejemplo único es el uso de bioinstrumentación para caracterizar los fenotipos óseos de varios modelos animales a través de la medición de la tensión y la carga tibial. Los medidores de tensión traducen la deformación en una resistencia eléctrica y, cuando se combinan con un software analítico, se pueden utilizar para determinar la respuesta de un hueso a la carga mecánica. Diferentes animales o razas pueden tener diferentes respuestas físicas a la carga mecánica, por lo que los experimentos que involucran carga se normalizan a la tensión en lugar de a la carga. [61] Los medidores de tensión permiten a los investigadores aplicar diferentes cargas en una variedad de sujetos para inducir la misma tensión, que está directamente correlacionada con la formación de hueso nuevo. La bioinstrumentación tiene muchas más aplicaciones en la investigación, desde el desarrollo de nuevos bioinstrumentos hasta la incorporación novedosa en nuevos dispositivos médicos.
La bioinstrumentación se ha incorporado a nuevas herramientas de diagnóstico que se utilizan para una variedad de pacientes. Existe un desafío suficiente para implementar sistemas de medición en tiempo real que sean livianos, cómodos y eficientes, por lo que ha habido un mayor impulso para el desarrollo novedoso de bioinstrumentación más flexible y compacta. El desarrollo de transistores de efecto de campo selectivos de iones impresos en 3D, o ISFET, para detectar y monitorear los niveles de iones en los pacientes es un excelente ejemplo. [62]
Otro ejemplo de un sistema de medición en tiempo real es el chupete bioeléctrico inteligente, que fue desarrollado para monitorear el nivel de electrolitos en recién nacidos vulnerables en atención hospitalaria. El chupete funciona mediante la ingesta de saliva a través de un canal microfluídico, que guía la saliva a un depósito lleno de nodos sensoriales dentro del chupete de plástico blando. Pequeños circuitos integrados con ISFETS proporcionan mediciones activas de cualquier cambio de voltaje dentro de la saliva, que se puede correlacionar directamente con la concentración de iones dentro de la saliva del recién nacido y, debido a las correlaciones conocidas entre las concentraciones de iones en la saliva y la sangre, el torrente sanguíneo. [63]
Los nuevos avances en bioinstrumentación continúan prestando apoyo al desarrollo de sistemas de medición en tiempo real que pueden brindar flexibilidad, compacidad y eficiencia para monitorear mejor a los pacientes.
Otro dispositivo médico importante cuyo uso aumentó de forma destacada durante la pandemia es el oxímetro. [64] Un oxímetro es un dispositivo que mide la saturación de oxígeno de la sangre en la circulación periférica. Estos oxímetros han experimentado un desarrollo significativo a lo largo de los años, de modo que estos dispositivos se han compactado en el tamaño de una pequeña caja que puede medir de forma no invasiva el nivel de oxígeno en sangre de la persona y puede ser utilizado por los propios pacientes en sus hogares. [65] El oxímetro funciona según el principio de la fotopletismografía . Específicamente, el funcionamiento del oxímetro se basa en la diferencia en el espectro de absorción de luz de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina. La oxihemoglobina absorbe más luz infrarroja (longitud de onda de 940 nm) mientras que la desoxihemoglobina absorbe más luz roja (longitud de onda de 660 nm). Estas luces pueden iluminar la punta del dedo una tras otra de forma consecutiva. [66] El fotodiodo presente en el oxímetro detecta la luz que puede pasar a través del torrente sanguíneo y esto ayuda a crear la curva de absorción para ambas luces.
Según la Ley de Beer Lambert, que relaciona la absorción de la luz con las propiedades del material por el que pasa, estos resultados son capaces de indicar el nivel de saturación de oxígeno de la sangre. Las señales generadas como resultado de la luz detectada por el fotodiodo se filtran mediante varios amplificadores operacionales para eliminar las irregularidades en la medición que podrían haberse generado debido a la luz del entorno que llega al sensor. [67] Las señales se amplifican y se convierten en señales digitales mediante un circuito ADC (convertidor analógico a digital). Estas señales se procesan utilizando un procesador MATLAB para mostrar el valor de SpO 2. [68]
El glaucoma causa una disminución gradual del campo visual de quienes lo padecen y representa alrededor del ocho por ciento de la ceguera a nivel mundial. [69] Las pruebas para el glaucoma generalmente implican tomar mediciones de la presión intraocular (PIO), que se pueden realizar en un hospital; sin embargo, las mediciones tardan un tiempo en estar listas y la PIO de un paciente puede cambiar a lo largo del día, lo que ha provocado un cambio largamente esperado en la forma en que se mide la PIO. [70] La solución propuesta actualmente son sensores de presión continua que se implantarían dentro del ojo para medir la PIO durante todo el día. Esto permitiría a los proveedores diagnosticar glaucomas temprano y comenzar el tratamiento preventivo antes, y proporciona una forma de monitorear qué tan bien está funcionando el tratamiento. El implante funcionaría al tener condensadores sensibles a la presión que podrían detectar un cambio en la PIO. Estos condensadores sensibles a la presión luego alterarían la frecuencia de resonancia de un ASIC . La frecuencia de resonancia del ASIC depende de la capacitancia, por lo que la PIO se puede derivar en función de la frecuencia de resonancia. La mayoría de los dispositivos aún no están en el mercado, pero se están probando con resultados prometedores en pacientes. [71]
Un desfibrilador es un dispositivo médico que salva vidas y que administra una carga eléctrica para corregir ritmos cardíacos anormales, específicamente fibrilación ventricular y taquicardia ventricular. Estas arritmias pueden provocar un paro cardíaco repentino, en el que el corazón pierde su ritmo de bombeo efectivo. Hay dos tipos principales de desfibriladores: desfibriladores externos automáticos (DEA) y desfibriladores cardioversores implantables (DCI). Los DEA, que se encuentran a menudo en espacios públicos, son dispositivos portátiles y fáciles de usar diseñados para que los transeúntes los usen rápidamente. Proporcionan instrucciones de voz para guiar a los usuarios a través del proceso. Los DCI, por otro lado, son dispositivos implantados quirúrgicamente que monitorean automáticamente el ritmo cardíaco y envían señales eléctricas sincronizadas con precisión para prevenir más daños cardíacos o la muerte en personas con alto riesgo de arritmias potencialmente mortales. [72]
Se requiere una cantidad considerable de conocimiento y capacitación para trabajar con bioinstrumentos. La ingeniería biomédica es la rama principal de la ingeniería, bajo esta se encuentra una rama llamada instrumentación biomédica en la que se puede encontrar capacitación en el uso de equipos, circuitos y seguridad. Para trabajar en esta área, se requiere una cantidad considerable de conocimiento en principios de ingeniería, así como en biología, además de esto, generalmente se requiere una licenciatura (B.Sc., BS, B.Eng. o BSE) o una maestría (MS, M.Sc., MSE o M.Eng.) o un doctorado (Ph.D. o MD-PhD [73] [74] [75] ) en Ingeniería Biomédica.
Al igual que con la mayoría de las profesiones, existen ciertos requisitos para convertirse en un ingeniero profesional con licencia (PE), sin embargo, en los Estados Unidos no se requiere una licencia para ser empleado como ingeniero en la mayoría de las situaciones debido a una excepción conocida como la exención industrial. [76] El modelo actual requiere que solo los ingenieros en ejercicio que ofrecen servicios que impactan el bienestar público, la seguridad, la salud o la propiedad tengan licencia, mientras que los ingenieros que trabajan en la industria privada sin una oferta directa de servicios de ingeniería al público o las empresas no necesitan tener licencia.
La ingeniería biomédica está regulada en algunos países, como Australia, pero el registro generalmente sólo se recomienda y no es obligatorio. [77]
El desarrollo de la instrumentación biomédica también tiene sus limitaciones. Actualmente, muchos elementos mensurables son inaccesibles sin dañarlos. Como resultado, la mayoría de ellos deben medirse indirectamente. No hay dos sistemas fisiológicos iguales, pero debido a estas limitaciones, la variación de las mediciones debe compararse con "normas", que también pueden variar. La seguridad del paciente también es un aspecto clave y una limitación de la instrumentación biomédica. Determinar la cantidad correcta de energía necesaria para obtener datos evitando dañar el tejido biológico (que puede alterar los resultados) puede ser difícil, especialmente porque no hay dos personas iguales. Como resultado, la confiabilidad del equipo y la dificultad de operación se mantienen a estándares altos. [78]
Incluso con estas limitaciones, los campos de la ingeniería biomédica y la medicina están creciendo rápidamente, y la bioinstrumentación seguirá progresando. Dado que el objetivo principal de este campo es hacer que el mundo médico sea más rápido y eficiente, las mejoras importantes en estos aspectos, así como en la tecnología y en la forma en que los científicos entienden el cuerpo humano, harán que el campo siga creciendo. Los principales enfoques para el futuro de este campo incluyen dispositivos de escaneo celular y robots. [12]
Olympus presentó dos nuevos microscopios, el microscopio biológico confocal de barrido láser Fluoview FV1200 y el microscopio de barrido láser multifotón Fluview FV1200MPE, para el enfoque de la investigación en ciencias de la vida en universidades e instituciones de investigación. Estos microscopios registran imágenes 3D de alto contraste al escanear una muestra con un rayo láser y detectar la fluorescencia. Son muy fáciles de usar y ofrecen más rigidez, mayor sensibilidad y menor ruido. El FV1200MPE utiliza un láser IR que produciría una mayor transparencia del tejido. Esto sería útil especialmente para obtener imágenes de células y tejidos gruesos que serían difíciles con el FV1200. [79]
La tecnología se ha convertido rápidamente en parte de la vida cotidiana de las personas en el mundo moderno, cuando los robots industriales, como los de ensamblaje y transporte, se convirtieron en parte del trabajo en las fábricas de fabricación. Estos son uno de los robots personales que se espera que se vuelvan populares en el futuro y que operarían en el trabajo conjunto y la vida en comunidad con los humanos. Varios ejemplos de robots humanoides en el trabajo incluyen el humanoide de entretenimiento QRIO desarrollado por Sony Corporation. El estudio de la integración de las emociones, los comportamientos y la personalidad de una manera similar a la humana en los robots aún se está comprendiendo e investigando. [80]
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