Universidad Pública de Navarra - Nafarroako Univertsitate Publikoa

Módulo/Materia

MODULO: Módulo de formación en ingeniería biomédica.

MATERIA: Instrumentación Médica

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Descripción/Contenidos

Curso sobre la tecnología de los equipos médicos de aplicación diagnóstica y terapéutica. La temática incluye desde sensores y dispositivos básicos para la captación de señales biomédicas de distinta naturaleza, hasta la descripción de equipos y sistemas sofisticados de aplicaciones quirúrgicas, endoscópicas, de monitorización en ambientes críticos (UVIs, y quirófanos), y de los grandes equipos de adquisición de imágenes médicas y de radioterapia. Además, se dan nociones de seguridad y radioprotección en el ámbito médico.

El curso incluye una parte práctica desarrollada en varias sesiones de laboratorio centrada en el análisis y utilización de distintos elementos para el registro, acondicionamiento y análisis de señales biomédicas utilizando distintas plataformas hardware y software.

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Competencias genéricas

CG2 - Tener conocimientos básicos del uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería.

CB2 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio

CB4 - Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado

CB5 - Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.

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Competencias específicas

CE17 - Ser capaz de registrar y extraer información útil de señales biomédicas de distinta naturaleza

CE18 - Conocer los principios físicos y saber utilizar las técnicas y los instrumentos de medida empleados más habitualmente en la medición de magnitudes fisiológicas del cuerpo humano

CE19 - Conocer los principios de funcionamiento y ser capaz de analizar y comparar las características técnicas y la funcionalidad clínica de los equipos médicos de monitorización, diagnóstico y terapia

CE22 - Ser capaz de aplicar técnicas de procesado digital de señales e imágenes en el ámbito de la ingeniería biomédica para tareas de análisis, monitorización y diagnóstico clínico.

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Resultados aprendizaje

R1. Saber utilizar los sistemas de medida, sensores y electrodos en la ingeniería biomédica.

R2. Saber analizar la instrumentación que interviene en los sistemas cardiovascular, respiratorio y nervioso.

R3. Saber analizar los elementos que componen un laboratorio clínico

R4. Conocer los principios de funcionamiento y las principales variables físicas y fisiológicas que intervienen en los sistemas de imagen médica y equipos médicos terapeúticos basados en radiaciones ionizantes.

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Metodología

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Idiomas

La docencia se imparte en castellano, aunque buena parte de las referencias y los textos de lectura están escritos en inglés. La razón de esto es que se trata de temas punteros en investigación y los proveedores habituales de este tipo de dispositivos funcionan a nivel global. Es responsabilidad del alumnado acostumbrarse y adquirir la nomenclatura usada en este tipo de dispositivos, con independencia de si se posee una competencia lingüística o no.

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Evaluación

Las pruebas escritas consistirán en exámenes que incluyen tests de respuesta múltiple y/o preguntas de respuesta corta sobre las temáticas de la asignatura. Asimismo, se podrán incluir cuestiones acerca de las prácticas.

Se tiene previsto completar 3 prácticas de laboratorio experimental. Por tanto, el alumno deberá realizar los correspondientes informes de trabajo experimental asociado a cada práctica.

Los alumnos realizarán un trabajo sobre un tema relacionado con la asigntaura de instrumentación y deberán entregar la memoria en Word y también realizar una defensa oral en clase.

La realización de cualquiera de las pruebas anteriores contabiliza como convocatoria presentada.

Para promediar con el resto de calificaciones de la asignatura en cualquiera de sus convocatorias, es necesario obtener al menos 4 puntos en el examen final. En caso de no superar la asignatura en cualquiera de los períodos de evaluación, la nota final será promediada hasta un máximo de 4,9.

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Temario

Tema 1. Introducción a la instrumentación biomédica. Sistemas de medida. Caracterización de sistemas de medida. Conceptos básicos.

+1.1 Se expone la evolución histórica de la instrumentación y el sistema de salud

+1.2 Se define la instrumentación biomédica, se presentan varias clasificaciones de la misma y se describe el esquema básico del bioanálisis formado por el emisor (portadora), el problema (modulación) y la detección de la señal.

+1.3 Se definen los sistemas de medida y se presentan sus tres componentes básicos (sensorización, acondicionamiento y aplicación). También se describen los criterios de diseño de un sistema de medida.

+1.4 Se caracterizan los sistemas de medida atendiendo a su aplicabilidad, calidad de la medida, influencia ambiental, respuesta dinámica y duración prevista

+1.5 Se presentan los conceptos implicados en la amplificación de los biopotenciales. El amplificador de instrumentación

+1.6 Se presentan los conceptos básicos de los sistemas de medida como la mecánica de fluidos, el sonido, el electromagnetismo, modelos de átomo y circuitos electrónicos.

Tema 2. Sensores en biomedicina

En el primer bloque, se describen en detalle los tipos fundamentales de sensores de temperatura, posición y ópticos enfatizando su aplicación clínica, sus ventajas e inconvenientes.

En el segundo bloque se presentan los electrodos involucrados en la detección de biopotenciales y se explican su fundamento bioquímico, así como el modelado eléctrico, circuito equivalente y tipologías.

Por último, se presentan los electrodos bioquímicos y sus tres tipos fundamentales (potenciométrico, amperométrico).

Tema 3. Medidas en el sistema cardiovascular.

En el primer bloque se describen en detalle el funcionamiento eléctrico y mecánico del corazón haciendo énfasis en la generación de la señal ECG, así como en su acondicionamiento, derivaciones y problemas prácticos en su detección. También, se presentan los sonidos cardiacos y la instrumentación para su detección. En el segundo bloque se define la hemodinámica y se presentan los sensores y métodos para realizar mediciones de presión y de flujo de forma invasiva y no invasiva.

Tema 4. Medidas en el sistema respiratorio

Se presentan los conceptos de respiración interna, externa y la ventilación. Se describen las medidas más importantes de ventilación. Se explican la instrumentación y técnicas involucradas en las mediciones de volumen (espirometría y pletismografía) y de flujo (neumotacógrafos). Además se describen la medición de gases en sangres con sus 4 bloques fundamentales (medición de gases en sangre arterial, saturación de oxígeno, difusión a tejidos y gases en aire aspirado).

Tema 5. Laboratorio clínico, medidas químicas e histológicas

Se presenta las funciones del laboratorio clínico y se explican a continuación 4 bloques fundamentales: (1) contaje celular (sistemas eléctricos, sistemas ópticos y contaje diferencial); (2) Cromatografía (plana, líquida y de gases); (3) Espectrofotometría (espectros de emisión y absorción, colorímetro, espectrómetro y espectrofotómetro); (4) Espectrometría de masas (fuente de iones, analizador de gases y detector).

Tema 6. Dispositivos quirúrgicos y de endoscopia (bisturí eléctrico y láser, coagulación por RF, laparoscopia)

Se detalla los principios de la electrocirugía con sus topologías principales (monopolar y bipolar) y su efecto sobre los tejidos (vaporización, fulguración y desecación). Se presentan otros tipos de energía para cirugía (coagulador de argón: electrones, electrocauterización, cirugía láser y bisturí ultrasónico). Se presenta la cirugía guiada por imagen (endoscopia), detallando las partes constituyentes (fuente de luz, canal de luz, etc) y sus tipos fundamentales (Gastroscopia, Colonoscopia, Laparoscopia, etc).

Tema 7: Radiaciones ionizantes y protección radiológica

Se tratan los fundamentos físicos de la radiactividad: los tipos de radiaciones ionizantes y la interacción de la radiación con la materia, así como las leyes físicas que la explican. Se dan unas ciertas nociones previas de cómo se detecta la radiación, así como de los efectos biológicos que ésta produce en el cuerpo humano.

Tema 8: Diagnóstico con radiaciones ionizantes

El tema está dividido en dos partes. En primer lugar, la obtención de rayos X y su uso en el diagnóstico del cuerpo humano mediante las técnicas de radiografía y escáner. En segundo lugar, la obtención de información diagnóstica mediante el uso de radiofármacos en las técnicas de gammagrafía, SPECT y PET. De cada técnica, se plantea una introducción, donde se revisan los principios físicos de la técnica en cuestión. Tras ello, se dan detalles constructivos del equipamiento, así como mejoras en la calidad de imagen. También se dan pautas sobre sus precauciones de uso, así como los posibles efectos adversos que tiene el trato con cada tipo de equipos. Finalmente, se verán las aplicaciones clínicas en las que se usan los dispositivos.

Tema 9: Diagnóstico con radiaciones no ionizantes

Nuevamente, el tema está dividido en dos partes. En primer lugar, el análisis sobre el concepto de resonancia magnética nuclear y su aplicación en el diagnóstico del cuerpo humano mediante la técnica de imagen por resonancia (MRI). En segundo lugar, se analiza la ecografía y los principios que permiten visualizar imágenes del interior del cuerpo humano empleando ultrasonidos. Ambas dos son técnicas que no emplean radiaciones ionizantes, con lo cual se verán las ventajas e inconvenientes que esto conlleva en comparación con las técnicas tratadas en el tema anterior.

Tema 10: Radioterapia

Vistas las técnicas de diagnóstico de los temas anteriores, este tema final las reagrupa para abordar la planificación de las técnicas de terapia mediante radiación, que tan importantes y efectivas son, hoy en día, para el tratamiento del cáncer. Se revisan las diferentes técnicas híbridas de diagnóstico, así como los pasos previos que se dan antes de someter a las personas a radioterapia. Se revisa, asimismo, el funcionamiento de los equipos de radioterapia actuales: los aceleradores lineales.

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Programa de prácticas experimentales

Práctica 1: Montaje de un Amplificador de Instrumentación para adquisición de señales biomédicas

Objetivos: (1) Conocer los principios de la amplificación diferencial con sus ventajas y limitaciones; (2) Reconocer el problema del ¿DC-potential¿ y el ¿DC-Offset¿ en un amplificador diferencial y visualizarlo; (3) Construir un Amplificador de Instrumentación y apreciar su funcionalidad clínica; (4) Que el estudiante aprecie y comprenda los aspectos limitantes/problemáticos inherentes a los amplificadores (rechazo al modo común; impedancia de entrada y su relación con impedancia de salida de la piel; polarización del electrodo; DC-Offset; fuentes de ruido e interferencia que se suman y distorsionan a la señal de interés).

Práctica 2: Acondicionamiento de señales biomédicas

Objetivos: (1) Testear y apreciar el efecto real de filtros paso bajo, alto, banda y rechazo-banda en la señal ECG y ruido; (2) Implementar distintos configuraciones de filtros para acondicionar la señal a nuestra discreción; (3) Implementar la configuración de circuitos necesaria para la detección del complejo QRS con etapas analógicas; (4) Que el estudiante sea capaz de analizar las señales biomédicas en los dominios temporal y frecuencial.

Práctica 3: Banco de prueba de múltiples sensores

Objetivos: (1) Saber reconocer los sensores más importantes involucrados en el sistema cardiovascular y respiratorio; (2) Realizar mediciones con sensores de temperatura, sensores de pletismografía de pulso, sensores de fuerza, sensor de movimiento-desplazamiento y sensor de micrófono y Transductor de Presión.

Práctica 3: Visualización de equipos de imagen/terapia médica

Objetivo: Reconocer equipos de imagen y/o terapia médicas, así como las imágenes que se producen para el diagnóstico de las enfermedades que afectan al cuerpo humano. En función de la disponibilidad del personal médico del Complejo Hospitalario de Navarra, se plantearán 1 o 2 visitas a sus instalaciones, con el objetivo de ver los modelos de las diferentes marcas, así como las prestaciones que más se adecúan al día a día del personal clínico.

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Bibliografía

Acceda a la bibliografía que el profesorado de la asignatura ha solicitado a la Biblioteca.

+ Introducción a la Bioingeniería. José Mompín Poblet. Ed. Marcombo, 1988

+ The Biomedical engineering handbook / edited by Joseph D. Bronzino. Editorial: Boca Raton (Fla.)[etc.]: CRC Press, 2006.

+ Medical instrumentation : application and design / John G. Webster, editor ; contributing authors John W. Clark ... [et al.]. Editorial: Hoboken (NJ) : John Wiley & Sons, [2010]

+ Biomedical Instrumentation: technology and applications. R.S. Khandpur McGraw Hill, New York, Madrid, 2005

+ Biomedical Transducers and Instruments T. Togaza, T. Tamura and P.A. Oberg. CRC Press Science, 1997

+ Medical Instrumentation, application and design Webster, Ed. John Wiley & Sons, Inc. 1995

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Lugar de impartición

Aulario

Laboratorio de Señales y Sistemas

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