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Bioinstrumentación

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,...

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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 monitorizar las características fisiológicas de un ser humano o animal con fines diagnósticos y de tratamiento de enfermedades. [ 1 ] Dicha instrumentación surgió de la necesidad de monitorizar constantemente las constantes vitales de los astronautas durante las misiones Mercury , Gemini y Apollo de la NASA . [ 2 ]

La bioinstrumentación es un campo nuevo y en auge, centrado en el tratamiento de enfermedades y en la integración de la ingeniería y la medicina. La mayoría de las innovaciones en este campo se han producido en los últimos 15-20 años, hasta 2022. La bioinstrumentación ha revolucionado el campo médico y ha facilitado enormemente el tratamiento de los pacientes. Los instrumentos/sensores producidos en este campo pueden convertir las señales del organismo en señales eléctricas que pueden procesarse para generar algún tipo de resultado. [ 3 ] Existen numerosos subcampos dentro de la bioinstrumentación, entre los que se incluyen: aplicaciones biomédicas, creación de sensores, pruebas genéticas y administración de fármacos. [ 4 ] Campos de la ingeniería como la ingeniería eléctrica, la ingeniería biomédica y la informática son ciencias relacionadas con la bioinstrumentación. [ 3 ]

La bioinstrumentación se ha incorporado a la vida cotidiana de muchas personas, con teléfonos inteligentes con sensores que pueden 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 que pueden medir la biometría del usuario y transmitirla a una aplicación que registra y realiza un seguimiento de la información para realizar mejoras.

El modelo de un sistema de instrumentación generalizado requiere solo cuatro partes: una magnitud medida, un sensor, un procesador de señales y una pantalla de salida. [ 7 ] Los dispositivos de instrumentación más complejos también pueden incluir funciones de almacenamiento y transmisión de datos, calibración o control y retroalimentación. Sin embargo, en esencia, un sistema de instrumentación convierte la energía o la información de una propiedad física que de otro modo no sería perceptible, en una salida que los usuarios pueden interpretar fácilmente. [ 8 ]

Algunos ejemplos comunes son:

La magnitud a medir puede clasificarse como cualquier propiedad física, cantidad o condición que un sistema desee medir. Existen muchos tipos de magnitudes a medir, como el biopotencial, la presión, el caudal, la impedancia, la temperatura y las concentraciones químicas. En los circuitos eléctricos, la magnitud a medir puede ser la diferencia de potencial a través de una resistencia. En física, una magnitud a medir común podría ser la velocidad . En el campo de la medicina, las magnitudes a medir varían desde biopotenciales y temperatura hasta presión y concentraciones químicas. Por ello, los sistemas de instrumentación constituyen una parte tan importante de los dispositivos médicos modernos . Permiten a los médicos obtener información actualizada y precisa sobre diversos procesos corporales.

Pero la magnitud medida no sirve de nada sin el sensor adecuado 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 mucho, en concepto, de los sensores que usamos para monitorear el clima, la presión atmosférica, el pH, etc. [ 9 ]

Normalmente, las señales captadas por el sensor son demasiado débiles o están demasiado distorsionadas por el ruido como para poder interpretarlas. El procesamiento de señales describe, sencillamente, 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. Esta pantalla debe ser legible para el operador. Las pantallas de salida pueden ser visuales, auditivas, numéricas o gráficas. Pueden tomar mediciones puntuales o monitorizar continuamente la magnitud medida durante un periodo de tiempo.

Sin embargo, la instrumentación biomédica no debe confundirse con los dispositivos médicos . Los dispositivos médicos son aparatos utilizados 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 la función del cuerpo. La forma más sencilla de distinguirlos es que los instrumentos biomédicos miden, detectan y generan datos, mientras que los dispositivos médicos no.

Ejemplos de dispositivos médicos:

  1. Tubos de infusión intravenosa
  2. Catéteres
  3. Prótesis
  4. máscaras de oxígeno
  5. Vendas

Historia

La ingeniería biomédica y la bioinstrumentación son términos nuevos, pero la práctica que los sustenta existe desde hace muchas generaciones. Desde los albores de la humanidad, los seres humanos han utilizado los recursos a su alcance para tratar los problemas médicos que se les presentaban. La ingeniería biomédica alcanzó su máximo desarrollo en el siglo XIX. En los últimos años, ha ganado popularidad y se ha centrado en la creación de 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 y se consideró que facilitaba el trabajo humano al proporcionar informes detallados, precisos y claros. 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 en el campo de la medicina, ya que proporcionan procedimientos que cambian la vida. El desarrollo de la tomografía por emisión de positrones (PET) fue un avance significativo en el campo biomédico. La tomografía PET fue inventada por Edward Hoffman y Michael E. Phelps en 1974. [ 14 ] La máquina proporciona una prueba de imagen eficaz para comprender la actividad metabólica dentro de los tejidos y órganos del paciente. [ 15 ]

Vuelo espacial

La bioinstrumentación fue desarrollada por primera vez en serio por la NASA durante sus primeras misiones espaciales, para comprender mejor cómo afectaban los viajes espaciales 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 posteriormente midieron la presión arterial . [ 16 ] Esto permitió a los médicos monitorear los signos vitales de los astronautas para detectar posibles problemas. Los datos obtenidos de la bioinstrumentación de ECG del Apolo 15 mostraron períodos de arritmia cardíaca, que los médicos y planificadores utilizaron para modificar la carga de trabajo prevista, la dieta y los medicamentos en los botiquines médicos a bordo. [ 2 ]

Dispositivos de instrumentación para el desarrollo

Una estructura generalizada para el desarrollo de dispositivos médicos se deriva de la determinación de una condición clínica del paciente, como la diabetes . [ 17 ] El parámetro fisiológico relevante a medir sería, en este caso, la concentración de glucosa 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 para tomar este parámetro fisiológico. Para una persona con diabetes tipo 1, podría ser un sistema de monitorización 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 sería cambiar la concentración de glucosa a un valor medible, como el voltaje, a través de la reacción de la glucosa y los productos de la glucosa oxidasa con una reacción de reducción que produce un flujo de corriente que se transforma en un cambio de voltaje para medir. El paso final en el desarrollo del dispositivo antes de la digitalización, el procesamiento y la visualización de la señal es el diseño del filtro y el amplificador, que limpiarán y aumentarán el tamaño de la señal fisiológica para que pueda ser detectada y leída en el dispositivo. [ 18 ] [ 19 ]

Clases

Los dispositivos médicos se dividen en tres clases principales. [ 20 ] La primera clase es el grupo de menor riesgo y son los dispositivos médicos que no mantienen 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 se encuentran en 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 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 se encuentran en esta categoría, ya que se deben demostrar parámetros especiales de seguridad a la FDA antes de su aprobación, lo cual es mucho más estricto 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 acelerar el proceso de aprobación. Cuando un dispositivo médico se clasifica en una categoría inferior y, por lo tanto, presenta un menor riesgo, se somete a una revisión menos rigurosa y puede introducirse en el campo médico y el mercado mucho más rápidamente que los dispositivos que presentan un alto riesgo y deben demostrar su seguridad para obtener beneficios. [ 22 ]

Las clases de instrumentos biomédicos incluyen:

  1. Cantidad detectada : presión, caudal, temperatura
  2. Transducción : resistencia, inducción, capacitancia

Seguridad eléctrica y clasificación de riesgos

Los dispositivos médicos también se dividen en diferentes clasificaciones de seguridad eléctrica y riesgo. Estas clases incluyen:

  1. Clase 1
  2. Clase 2
  3. Clase 3
  4. Parte aplicada de tipo B
  5. Pieza aplicada tipo BF
  6. Pieza aplicada de tipo CF
  7. Pieza aplicada tipo CF a prueba de desfibrilación
  8. Conformité Europeénne

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 donde la protección contra descargas eléctricas se logra mediante el aislamiento del cable y una conexión a tierra protegida. [ 23 ] Los dispositivos médicos de clase 2 se clasifican por la presencia de al menos dos capas de aislamiento del cable: una capa de aislamiento básica y una capa de aislamiento suplementaria o una capa de aislamiento reforzado. [ 24 ] Por ejemplo, los monitores cardíacos suelen ser dispositivos IEC de clase 2. Los dispositivos médicos de clase 3 se basan en limitar los 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 operan por encima del SELV. [ 25 ] Algunos ejemplos de dispositivos IEC de clase 3 son los marcapasos y los DEA.

Así como la designación de clase del dispositivo indica el método de protección eléctrica, la designación de tipo del dispositivo denota el grado de protección contra descargas eléctricas. Esto se cuantifica mediante la corriente de fuga máxima permitida del dispositivo. Las designaciones de tipo se definen en la norma IEC 60601. Las partes aplicadas de tipo B tienen una corriente de fuga máxima de 100 μA y no pueden conectarse directamente al corazón. Las partes aplicadas de tipo BF tienen el mismo requisito de corriente de fuga máxima, pero se diferencian en que son dispositivos aislados o flotantes con contacto conductor con el usuario. [ 26 ] Estos incluirían un dispositivo como un monitor de presión arterial. Las partes 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 partes aplicadas de tipo CF son las máquinas de diálisis. [ 27 ]

Componentes

Las partes fundamentales básicas de cualquier instrumento biomédico son las siguientes: [ 28 ]

  1. Magnitud medida: Una cantidad física que los sistemas de instrumentación medirían. El cuerpo humano actuaría como fuente de la magnitud medida, la cual generaría bioseñales. Esto incluiría la superficie corporal o la presión arterial en el corazón.
  2. Sensor/Transductor: En este componente, el transductor convierte una forma de energía en otra, generalmente energía eléctrica. Un ejemplo sería la señal piezoeléctrica, que transforma las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica. El transductor genera una señal de salida útil, que depende de la magnitud medida. La fuente se utiliza para interactuar con el usuario, mientras que el sensor se encarga de detectar la señal proveniente de la fuente.
  3. Acondicionador de señal: Los circuitos de acondicionamiento de señal se utilizan para convertir la salida del transductor en un valor eléctrico. El sistema de instrumentación envía esta magnitud a la pantalla o al sistema de registro. El proceso de acondicionamiento de señal incluye amplificación, filtrado y conversión de analógico a digital y de digital a analógico.
  4. Pantalla: Representación visual de un parámetro o magnitud medida, como en un registrador gráfico o un osciloscopio de rayos catódicos (CRO). También se pueden usar alarmas para escuchar señales de audio, como las generadas en un ecógrafo Doppler.
  5. Almacenamiento y transmisión de datos: El almacenamiento de datos tiene como objetivo registrar información para su consulta y uso futuros. Un ejemplo serían los sistemas telemétricos, donde la transmisión de datos permite enviarlos de un lugar a otro bajo demanda a través de Internet.

Circuitos/creación de sensores

Los sensores son el aspecto más conocido de la bioinstrumentación. Incluyen termómetros, escáneres cerebrales y electrocardiogramas. Los sensores captan señales del cuerpo y las amplifican para que ingenieros y médicos puedan estudiarlas. Estas señales se amplifican mediante circuitos, recibiendo una fuente de voltaje y modificándolas con componentes como resistencias , condensadores e inductores . [ 29 ] Posteriormente, emiten un voltaje determinado, que se utiliza para el análisis en función de la relación entre el voltaje de salida y la magnitud de interés. Los datos recopilados mediante sensores suelen visualizarse 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 para amplificar las señales relativamente débiles y así procesarlas y analizar los datos. [ 30 ] Un amplificador de uso común es el amplificador de instrumentación . Los amplificadores de instrumentación, como el circuito integrado (CI) AD620, pueden amplificar la diferencia entre dos entradas de voltaje distintas, manteniendo un bajo voltaje de compensación y una alta relación de rechazo en modo común (CMRR) , lo que les permite amplificar señales de baja frecuencia y rechazar 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 un amplio rango de filtrado para tener en cuenta el ruido generado por factores como el desplazamiento de CC , la interferencia de otras señales biológicas o el ruido eléctrico del equipo que se esté utilizando.

Uso actual

Marcapasos

Se implanta un marcapasos para monitorizar el ritmo cardíaco del paciente y enviar impulsos eléctricos para regularlo cuando es demasiado lento. Los electrodos envían impulsos eléctricos a las cavidades del corazón, lo que permite que este se contraiga y bombee sangre. [ 32 ] Los marcapasos se utilizan en personas con daño cardíaco o con un corazón que no funciona correctamente. La conducción eléctrica normal del corazón permite que los impulsos generados por el nódulo SA estimulen el músculo cardíaco, que luego se contrae. Es la estimulación ordenada del músculo la que permite una contracción eficiente del corazón, bombeando sangre por todo el cuerpo. Si el marcapasos natural falla, se producen latidos cardíacos anormales que pueden ser muy graves e incluso provocar la muerte. [ 33 ]

Control de la glucemia

Un monitor continuo de glucosa en sangre es utilizado por casi todos los diabéticos tipo 1 y algunos diabéticos tipo 2. El monitor se aplica sobre la piel del paciente e inserta un fino alambre metálico en el torrente sanguíneo. En el extremo de este alambre, hay enzimas que toman 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 libres 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 glucosa 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, hay muchas más señales eléctricas circulando. Para filtrar esta señal, el circuito utiliza diodos de protección, que son filtros que emplean resistencias y condensadores para eliminar las señales grandes del sistema mediante diodos Zener . [ 34 ] Una vez filtradas las señales grandes, se utilizan varios amplificadores operacionales para fortalecer la señal, de modo que los sensores de temperatura digitales, analógicos y comparadores puedan utilizarse para informar el nivel real de glucosa en sangre del paciente. [ 34 ]

Termómetros infrarrojos

Los termómetros infrarrojos se utilizan para recopilar datos de temperatura de los pacientes, de forma similar a un termómetro médico convencional . Sin embargo, los termómetros infrarrojos están diseñados específicamente para usarse a distancia, lo que permite lecturas sin contacto. La temperatura del paciente se determina capturando la radiación infrarroja que emite constantemente su cuerpo. [ 36 ] Esto se puede hacer apuntando el dispositivo a varias partes del cuerpo, siendo las más fiables el extremo de la ceja derecha o la muñeca. Esto permite obtener lecturas precisas y fiables de la temperatura del paciente. [ 37 ] Este dispositivo funciona captando la muestra de radiación infrarroja mediante un sensor que la convierte en señales eléctricas. El uso de óptica y una termopila permite una conversión fluida de la señal en una lectura de temperatura. La termopila absorbe y convierte la radiación en calor, lo que produce un voltaje útil proporcional a la temperatura. Estos datos recién recopilados se muestran en una pantalla. [ 38 ]

Ventiladores mecánicos

Un ventilador mecánico es un sistema de soporte vital. Ayuda al paciente a respirar o ventilar durante la cirugía o cuando no puede respirar por sí mismo. El paciente se conecta al ventilador mediante un tubo hueco llamado vía aérea artificial, que se introduce por la boca y baja por la tráquea. Permanece conectado al ventilador hasta que puede respirar por sí mismo. Utilizamos ventiladores mecánicos para disminuir el esfuerzo respiratorio hasta que el paciente mejore lo suficiente como para no necesitarlo. La máquina asegura que el paciente reciba suficiente oxígeno y elimina 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 sus músculos respiratorios pueden descansar. El paciente tiene tiempo para recuperarse y volver a respirar con normalidad. Ayuda al paciente a obtener suficiente oxígeno y eliminar el dióxido de carbono, y mantiene una vía aérea estable, previniendo lesiones por aspiración. [ 39 ]

rastreadores de actividad física

La bioinstrumentación en el mercado comercial ha experimentado un gran crecimiento en el campo de los dispositivos portátiles , con dispositivos de seguimiento de actividad de 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 incorporado al diseño de los teléfonos inteligentes, que ahora son capaces de medir la frecuencia cardíaca, los niveles de oxígeno en sangre, el número de pasos dados y más, según el dispositivo.

Óptica biomédica

La óptica biomédica es el campo de realizar operaciones y procedimientos no invasivos en pacientes. Este campo ha estado en crecimiento, ya que es más sencillo y no requiere cirugía. [ 4 ] La óptica biomédica es posible gracias a técnicas de imagen como la tomografía axial computarizada (TAC). [ 40 ] Un ejemplo de óptica biomédica es la cirugía ocular LASIK, una microcirugía láser que se realiza en los ojos. Ayuda a corregir diversos problemas oculares y es una opción mucho más sencilla que otras cirugías. [ 40 ] Otros aspectos importantes de la óptica biomédica incluyen la microscopía y la espectroscopia. [ 41 ]

Pruebas genéticas

La bioinstrumentación puede utilizarse para pruebas genéticas. Esto se realiza con la ayuda de instrumentos químicos y médicos. Los profesionales del campo han creado instrumentos de análisis de tejidos que permiten comparar el ADN de diferentes personas. Otro ejemplo de prueba genética es la electroforesis en gel. La electroforesis en gel utiliza muestras de ADN, junto con biosensores, para comparar la secuencia de ADN de los individuos. [ 40 ] Otros dos instrumentos importantes 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 las distintas cadenas de ADN. La bioinstrumentación ha transformado el mundo de las pruebas genéticas y ayuda a los científicos a comprender el ADN y el genoma humano mejor que nunca. [ 40 ]

Administración de medicamentos

La administración de fármacos y los dispositivos de asistencia han mejorado enormemente gracias a la bioinstrumentación. Se han creado bombas para administrar medicamentos como anestesia e insulina. [ 42 ] Antes, los pacientes tenían que acudir al médico con mayor frecuencia, pero con estas bombas pueden tratarse a sí mismos de forma más rápida y económica. Los dispositivos de asistencia incluyen audífonos y marcapasos. Ambos utilizan sensores y circuitos para amplificar señales y detectar problemas en el paciente. [ 4 ]

Agricultura

Los bioinstrumentos se utilizan ampliamente en la agricultura para el monitoreo y muestreo del suelo, así como para la medición del crecimiento de las plantas. La biotecnología agrícola requiere el manejo de genomas vegetales complejos, lo cual se realiza mediante instrumentación sofisticada. Dispositivos como los tensiómetros se utilizan para medir el contenido de humedad del suelo, lo que ayuda a mantener las condiciones más favorables para el crecimiento de los cultivos. Al acoplarles un transductor eléctrico, se pueden monitorear los datos del cultivo a intervalos regulares en términos de humedad del suelo y perfil hídrico. [ 40 ]

Botánica

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 cualidades fisiológicas de la planta, como el intercambio de dióxido de carbono, la humedad foliar, 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 mediante 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 la CONSOLA DEL SISTEMA PTM-48A, la CÁMARA DE HOJAS LC-4B (4 unidades), el MEDIDOR RTH-48, el ADAPTADOR DE ALIMENTACIÓN DE 12 V CC, el SOPORTE PARA LA CÁMARA DE HOJAS (4 unidades), la MANGUERA DOBLE DE PVC DE 4 m (4 unidades), el TRÍPODE DE ACERO INOXIDABLE, el CABLE DE COMUNICACIÓN RS232 PARA PC, el CD DE DOCUMENTACIÓN Y CONFIGURACIÓN DEL SOFTWARE, el ABSORBIDOR DE CO₂ , el FILTRO DE AIRE DE REPUESTO y la GUÍA DEL USUARIO. [ 43 ]

Sistemas de imágenes

Un sistema de imágenes es un sistema que crea imágenes de diversas partes del cuerpo según lo que se necesite analizar. El sistema se utiliza para diagnosticar afecciones antes de que se agraven. Algunos ejemplos de sistemas de imágenes incluyen rayos X, tomografía computarizada (TC), resonancia magnética (RM) 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 varias radiografías 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 sistemas de imagen para electroforesis y Western blot integrados con una pantalla táctil en una supercomputadora. Utilizan bandejas específicas para quimioluminiscencia e identificación UV, lo que permite una alta sensibilidad y calidad de imagen. [ 45 ]

Presión arterial

Un sistema de medición de la presión arterial (PA), específicamente un monitor de PA de muñeca, funciona mediante tonometría de aplanación con un émbolo hemisférico colocado en la arteria radial. Dispositivos como los monitores ambulatorios de presión arterial han mejorado el control de la hipertensión, pero aún no se utilizan ampliamente y resultan incómodos. Innovaciones prometedoras como la de HealthSTATS International en Singapur crearon un dispositivo de medición de la PA de muñeca (BPro) que mide la PA mediante tonometría arterial. [ 46 ]

Antes de la llegada de los tensiómetros de muñeca, la presión arterial se medía de forma invasiva insertando un catéter en la arteria. El catéter se conectaba a una bolsa de líquido y a un monitor que registraba la presión arterial a lo largo del tiempo. Dado que se trataba de un procedimiento muy invasivo, debía realizarse en un centro médico, mientras que la nueva tecnología de los tensiómetros permite monitorizar la presión arterial desde casa. En comparación con las mediciones de presión arterial con manguito, la monitorización invasiva ha demostrado ser más precisa, aunque presenta inconvenientes como el riesgo de infección. [ 47 ]

Espacio

La importancia de los sistemas de monitorización de la salud de los astronautas ha ido en aumento a medida que la duración de las misiones espaciales ha crecido de forma constante. Con el sistema de bioinstrumentación de trajes espaciales existente, el desarrollo de sistemas de bioinstrumentación de próxima generación ha permitido proporcionar una monitorización de la salud mejorada durante la actividad extravehicular. Esto sería especialmente útil en las fases más exigentes físicamente del vuelo espacial. [1] La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) ha desarrollado sensores telemétricos para monitorizar 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 de los animales a un receptor a través de una conexión de enlace. [ 48 ]

Cirugía

La instrumentación biomédica se ha utilizado en el ámbito quirúrgico desde tiempos inmemoriales y continúa evolucionando para mejorar la atención al paciente. La integración continua de la imagenología y la robótica asistida ha permitido realizar cirugías más precisas y menos invasivas. Dispositivos de sistemas de imagenología como cámaras, ultrasonidos , rayos X, resonancias magnéticas , tomografías por emisión de positrones (PET) y tomografías computarizadas (TC) se han utilizado para identificar trastornos en el cuerpo. Durante la cirugía, se pueden utilizar ultrasonidos y cámaras integradas en los dispositivos para visualizar el área de tratamiento. [ 49 ]

Los dispositivos robóticos de asistencia son instrumentos médicos que permiten a los médicos realizar cirugías con incisiones mínimas. El uso de estos dispositivos permite completar cirugías complejas en menos tiempo. El robot imita con precisión los movimientos del médico dentro del cuerpo, lo que garantiza la seguridad del procedimiento. La tecnología robótica de asistencia suele incluir una cámara, un brazo mecánico y una consola para su control. [ 50 ] Al utilizar dispositivos de asistencia en procedimientos mínimamente invasivos, muchos observan que otro resultado es una recuperación más rápida. Si bien la robótica de asistencia se utiliza en cirugía y ofrece varias ventajas, existen algunas consideraciones importantes. En caso de una complicación grave durante la cirugía, el sistema robótico deberá retirarse y se deberán utilizar los métodos anteriores. Además, la tecnología robótica de asistencia sigue siendo bastante costosa, por lo que se realizan constantemente investigaciones y mejoras. [ 51 ]

Los avances en anestesia también se han producido gracias a las innovaciones en los dispositivos. Durante la cirugía, el anestesiólogo debe monitorizar y evaluar la frecuencia cardíaca, la respiración, el dolor, la temperatura corporal, el equilibrio hídrico, la presión arterial y muchos otros signos vitales del paciente. Por este motivo, la estación de anestesiología está repleta de dispositivos médicos. Uno de los principales es la máquina de anestesia, que se encarga de la administración de anestesia vaporizada, la oxigenación y la ventilación. [ 52 ]

Electrocardiograma

Los electrocardiogramas, o ECG , son instrumentos médicos que se utilizan para registrar la actividad eléctrica del corazón. [ 53 ] El cerebro envía señales a través de los nervios del cerebro y/o la médula espinal, que luego se generan y propagan en el corazón a través del sistema de conducción cardíaca (SCC). [ 54 ] Los impulsos comienzan en el tejido nodal, viajan al nodo sinusal y luego rápidamente a través del miocardio auricular, contrayendo las aurículas simultáneamente, y finalmente comienzan a disminuir la velocidad al llegar al nodo auriculoventricular, donde permiten que los ventrículos se llenen. [ 54 ] El impulso vuelve a ganar velocidad al entrar en el haz de His y luego se divide en izquierda y derecha en las fibras de Purkinje y finalmente llega a los cardiomiocitos ventriculares que se despolarizan, causando una contracción y bombeo de sangre a la aorta y la arteria pulmonar. [ 55 ] Toda esta actividad eléctrica puede medirse y registrarse mediante un ECG.

Los electrocardiogramas utilizan electrodos y cables conductores para registrar la actividad eléctrica del corazón y visualizarla en un monitor. Para monitorizar estas señales eléctricas, se colocan electrodos en la piel que detectan las fluctuaciones eléctricas: la actividad eléctrica hacia un electrodo produce una desviación hacia arriba, mientras que la actividad eléctrica en dirección opuesta produce una desviación hacia abajo. El gráfico generado por estos impulsos eléctricos permite analizar la actividad cardíaca y observar lo que ocurre en el corazón. [ 56 ] Este procedimiento se conoce como electrocardiograma o ECG y mide la actividad eléctrica del corazón registrando los impulsos eléctricos y el movimiento cardíaco.

El patrón básico de ondas se compone de la onda P, el complejo QRS y la onda T. La onda P representa la despolarización auricular, el complejo QRS consta de tres ondas de despolarización ventricular en diferentes áreas de los ventrículos (enmascarando la repolarización auricular) y la onda T muestra la repolarización ventricular. Es importante comprender esta representación visual, ya que incluso anomalías leves pueden tener consecuencias fatales si no se detectan y tratan a tiempo.

Los electrocardiogramas se utilizan para diagnosticar diversas afecciones cardíacas, como arritmias y miocardiopatía hipertrófica. Algunos de los problemas cardíacos comunes que un ECG puede detectar incluyen el diagnóstico de arritmias cardíacas e intervalos de onda prolongados, incluido el intervalo QT prolongado (que es un factor de riesgo para arritmias ventriculares) y ambas afecciones se diagnostican exclusivamente mediante ECG. [ 57 ]   La elevación y alteración de la onda también son indicadores de problemas de salud subyacentes, como la enfermedad de las arterias coronarias y el infarto de miocardio. [ 57 ] Otras enfermedades cardiovasculares, como la miocarditis, la pericarditis, la fibrosis miocárdica, la amiloidosis y otras, también pueden representarse como alteraciones de la curva. [ 57 ] Es más importante que nunca detectar estos cambios precozmente 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 solo 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 el electrocardiógrafo tradicional que se utiliza principalmente en un entorno clínico y monitores portátiles que se pueden usar durante períodos prolongados para monitorear el corazón por más tiempo. [ 57 ] Los electrocardiogramas tradicionales son mucho más precisos ya que constan de 12 derivaciones, sin embargo, esto implica una desventaja en la comodidad y la funcionalidad del paciente. [ 57 ] Las 12 derivaciones del electrocardiograma tradicional son 3 derivaciones bipolares de las extremidades, tres derivaciones unipolares de las extremidades y 6 derivaciones unipolares del tórax, lo que proporciona una mejor precisión espacial y se utiliza con mayor frecuencia en la atención ambulatoria y para la prueba de esfuerzo que monitorea la actividad cardíaca. [ 57 ] A medida que el desarrollo de la tecnología del electrocardiograma ha progresado, ha llevado a la innovación de sensores de parche, arneses de tórax y más para limitar las restricciones utilizando un número variable de electrodos y derivaciones conectadas. [ 57 ] Los requisitos del electrocardiograma implican el cumplimiento de muchos estándares, incluidas las pautas para el uso seguro, la colocación de electrodos, la protección contra descargas eléctricas y los requisitos de seguridad básica. [ 58 ]

El objetivo principal del circuito del electrocardiograma es amplificar la señal que proviene del corazón, que es relativamente débil. [ 59 ] Los electrocardiogramas se consideran un dispositivo médico de Clase II. [ 60 ]

Investigación

La bioinstrumentación en la investigación tiene diversas aplicaciones, desde la recopilación de datos estándar hasta la prueba de prototipos. Un ejemplo singular es su uso para caracterizar fenotipos óseos en diversos modelos animales mediante la medición de deformaciones y la carga tibial. Los extensómetros transforman la deformación en resistencia eléctrica y, combinados con software analítico, permiten determinar la respuesta del hueso a la carga mecánica. Dado que diferentes animales o razas pueden presentar distintas respuestas físicas a la carga mecánica, los experimentos que implican carga se normalizan en función de la deformación, en lugar de la carga. [ 61 ] Los extensómetros permiten a los investigadores aplicar diferentes cargas a diversos sujetos para inducir la misma deformación, la cual se correlaciona directamente con la formación de nuevo tejido óseo. La bioinstrumentación tiene muchas más aplicaciones en la investigación, desde el desarrollo de nuevos bioinstrumentos hasta su incorporación en nuevos dispositivos médicos.

Medición en tiempo real

La bioinstrumentación se ha incorporado a nuevas herramientas de diagnóstico utilizadas en diversos pacientes. La implementación de sistemas de medición en tiempo real que sean ligeros, cómodos y eficientes supone un reto considerable, por lo que se ha impulsado el desarrollo de bioinstrumentación más flexible y compacta. Un ejemplo destacado es el desarrollo de transistores de efecto de campo selectivos de iones (ISFET) impresos en 3D para detectar y monitorizar los niveles de iones en pacientes. [ 62 ]

Otro ejemplo de sistema de medición en tiempo real es el chupete bioeléctrico inteligente, desarrollado para monitorizar el nivel de electrolitos en recién nacidos vulnerables hospitalizados. El chupete funciona captando la saliva a través de un canal microfluídico que la dirige a un depósito con nodos sensoriales dentro del chupete de plástico blando. Pequeños circuitos integrados con ISFETS proporcionan mediciones activas de cualquier cambio de voltaje en la saliva, que pueden correlacionarse directamente con la concentración de iones en la saliva del recién nacido y, debido a las correlaciones conocidas entre las concentraciones de iones en la saliva y la sangre, en el torrente sanguíneo. [ 63 ]

Los avances novedosos en bioinstrumentación siguen propiciando el desarrollo de sistemas de medición en tiempo real que ofrecen flexibilidad, compacidad y eficiencia para una mejor monitorización de los pacientes.

Saturación de oxígeno en sangre

Otro dispositivo médico importante cuyo uso aumentó notablemente 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 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 se hacen iluminar la yema del dedo una tras otra consecutivamente. [ 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 luz con las propiedades del material a través del cual pasa, estos resultados permiten determinar el nivel de saturación de oxígeno en la sangre. Las señales generadas por la luz detectada por el fotodiodo se filtran mediante varios amplificadores operacionales para eliminar las irregularidades en la medición que podrían deberse a la luz ambiental que incide sobre el sensor. [ 67 ] Posteriormente, las señales se amplifican y se convierten en señales digitales mediante un convertidor analógico-digital ( ADC ). Estas señales se procesan con un procesador MATLAB para mostrar el valor de SpO₂ . [ 68 ]

Sensores de presión implantados

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 la medición de la presión intraocular (PIO), que se puede realizar en un hospital; sin embargo, los resultados tardan en llegar y la PIO de un paciente puede variar a lo largo del día, lo que ha generado un cambio largamente esperado en la forma en que se mide la PIO. [ 70 ] La solución propuesta actualmente consiste en sensores de presión continuos que se implantarían en el ojo para medir la PIO durante todo el día. Esto permitiría a los profesionales de la salud diagnosticar el glaucoma precozmente e iniciar el tratamiento preventivo antes, además de proporcionar una forma de monitorizar la eficacia del tratamiento. El implante funcionaría mediante condensadores sensibles a la presión capaces de detectar un cambio en la PIO. Estos condensadores sensibles a la presión modificarían 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 ]

Desfibriladores

Un desfibrilador es un dispositivo médico que salva vidas y que administra una descarga eléctrica para corregir ritmos cardíacos anormales, específicamente la fibrilación ventricular y la taquicardia ventricular. Estas arritmias pueden provocar un paro cardíaco repentino, en el que el corazón pierde su ritmo de bombeo efectivo. Existen dos tipos principales de desfibriladores: desfibriladores externos automáticos (DEA) y desfibriladores cardioversores implantables (DCI). Los DEA, que suelen encontrarse en espacios públicos, son dispositivos portátiles y fáciles de usar, diseñados para que cualquier persona pueda utilizarlos rápidamente. Proporcionan instrucciones de voz para guiar a los usuarios durante el proceso. Los DCI, por otro lado, son dispositivos implantados quirúrgicamente que monitorizan automáticamente el ritmo cardíaco y administran señales eléctricas con una sincronización precisa para prevenir daños cardíacos adicionales o la muerte en personas con alto riesgo de arritmias potencialmente mortales. [ 72 ]

Formación y certificación

Educación

Se requiere una cantidad considerable de conocimientos y capacitación para trabajar con bioinstrumentos. La ingeniería biomédica es la rama principal de la ingeniería, y dentro de ella se encuentra la instrumentación biomédica, donde se imparte capacitación sobre el uso de equipos, circuitos y seguridad. Para trabajar en esta área, se requiere una cantidad considerable de conocimientos en principios de ingeniería y biología. Además, generalmente se requiere una licenciatura (B.Sc., BS, B.Eng. o BSE), una maestría (MS, M.Sc., MSE o M.Eng.) o un doctorado (Ph.D. o MD-PhD [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] ) en ingeniería biomédica.

Licencia/certificación

Como en la mayoría de las profesiones, existen ciertos requisitos para obtener la licencia de Ingeniero Profesional (PE). Sin embargo, en Estados Unidos, en la mayoría de los casos, no se requiere licencia para trabajar como ingeniero debido a una excepción conocida como exención industrial. [ 76 ] El modelo actual exige que solo los ingenieros en ejercicio que ofrecen servicios que afectan el bienestar, la seguridad, la salud o la propiedad pública tengan licencia, mientras que los ingenieros que trabajan en la industria privada sin ofrecer directamente servicios de ingeniería al público o a las empresas no necesitan licencia.

La ingeniería biomédica está regulada en algunos países, como Australia, pero el registro generalmente solo se recomienda y no es obligatorio. [ 77 ]

Limitaciones y desarrollo futuro

El desarrollo de la instrumentación biomédica también conlleva limitaciones. Muchas magnitudes a medir actualmente son inaccesibles sin dañarlas. Por consiguiente, la mayoría deben medirse indirectamente. No existen dos sistemas fisiológicos iguales, pero debido a estas limitaciones, la variación en las mediciones debe compararse con "normas", que también pueden variar. La seguridad del paciente es otro aspecto clave y una limitación de la instrumentación biomédica. Determinar la cantidad adecuada de energía necesaria para obtener datos evitando daños al tejido biológico (lo que puede alterar los resultados) puede resultar difícil, especialmente porque cada persona es diferente. Por ello, la fiabilidad y la facilidad de operación de los equipos se rigen por altos estándares. [ 78 ]

A pesar de estas limitaciones, los campos de la ingeniería biomédica y la medicina están creciendo rápidamente, y la bioinstrumentación seguirá progresando. Dado que el objetivo principal del campo es hacer que el mundo médico sea más rápido y eficiente, las mejoras significativas en estos aspectos, así como en la tecnología y en la comprensión del cuerpo humano por parte de los científicos, impulsarán el crecimiento del campo. Los principales enfoques para el futuro del campo incluyen dispositivos de escaneo celular y robots. [ 12 ]

Dispositivos de escaneo celular

Olympus presentó dos nuevos microscopios, el microscopio confocal de barrido láser biológico Fluoview FV1200 y el microscopio multifotónico de barrido láser Fluoview FV1200MPE, enfocados en la investigación en ciencias de la vida en universidades e instituciones de investigación. Estos microscopios registran imágenes 3D de alto contraste mediante el escaneo de una muestra con un haz láser y la detección de la fluorescencia. Son fáciles de usar y ofrecen mayor rigidez, mayor sensibilidad y menor ruido. El FV1200MPE utiliza un láser IR que proporciona una mayor transparencia tisular. Esto resulta especialmente útil para la obtención de imágenes de células y tejidos gruesos, que serían difíciles de visualizar con el FV1200. [ 79 ]

robots

La tecnología se ha integrado rápidamente en la vida cotidiana de las personas en el mundo moderno, hasta el punto de que los robots industriales, como los de ensamblaje y transporte, se han convertido en parte del trabajo en las fábricas. Estos son algunos de los robots personales que se espera que se popularicen en el futuro y que operarán en colaboración con los humanos en el trabajo y la vida comunitaria. Varios ejemplos de robots humanoides en funcionamiento incluyen el robot humanoide de entretenimiento QRIO desarrollado por Sony Corporation. El estudio de la integración de emociones, comportamientos y personalidad de manera similar a la humana en los robots aún se encuentra en fase de comprensión e investigación. [ 80 ]

Véase también

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