Bioingeniería

Descripción

La mejora en la calidad de vida de las personas sería imposible sin los avances científicos y la evolución de los instrumentos de laboratorio y de diagnóstico en el área de la salud. La contribución de la electrónica, de sistemas de control y del análisis computarizado de los datos tiene implicaciones y retos en todos los ámbitos de la existencia humana, es en este contexto que la figura del ingeniero biomédico juega un rol fundamental como creador de la tecnología que posibilita la transformación de la sociedad. La ingeniería biomédica se configura como una realidad no del futuro, sino del presente, con un excelente trabajo en la frontera del conocimiento y en la interfaz de varias disciplinas en la que, además, se tiene la sensación de estar contribuyendo de forma positiva a la calidad de vida de la especie humana y del planeta.

VENTAJAS

• Cada capítulo inicia con el planteamiento de los objetivos del mismo y con una introducción en la que se plantean los antecedentes y una descripción de la estructura lógica de los temas expuestos.

• Durante la exposición se presentan ejemplos desarrollados detalladamente.

• Cada capítulo concluye con un resumen y una serie de preguntas propuestas.

CONOZCA

• El funcionamiento del equipo utilizado en la instrumentación biomédica.

• La tecnología que sirve de auxiliar en la medición de los diferentes sistemas que componen el cuerpo humano.

• Las normas que rigen la seguridad de las instalaciones eléctricas hospitalarias.

APRENDA A

• A identificar las características y especificaciones generales de los equipos utilizados en la instrumentación biomédica.

• Cómo operan los electrodos en la electro-estimulación.

• A distinguir los potenciales de membrana, los potenciales de reposo y los potenciales de acción.

• Cómo se desarrolla la generación y la propagación de la estimulación eléctrica en el corazón.

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA

• Establecer cómo se realizan mediciones indirectas de la presión sanguínea a través del tensio-manómetro y el ultrasonido; así como de los sonidos cardíacos.

• Identificar e interpretar un electroencefalograma.

• Establecer cómo se lleva a cabo la medición de la presión en el intercambio de gases en el sistema respiratorio.

• Identificar los sistemas de control de temperatura y de presión negativa en el proceso de hemodiálisis.

A QUIÉN VA DIRIGIDO

La presente obra está dirigida a estudiantes y profesores de ingeniería biomédica, así como a todo lector interesado en la materia.

CONTENIDOS

Introducción ………………………………………………………………………………………….. XV

Plataforma de contenidos interactivos …………………………………………………. XVI

CAPÍTULO 1

Introducción a la bioingeniería …………………………………………………………………1

1.1 Resumen preliminar …………………………………………………………………………3

1.2 Introducción ……………………………………………………………………………………3

1.3 Concepto de biotecnología ……………………………………………………………3

1.4 Concepto de bioingeniería ……………………………………………………………..6

1.4 .1 .1 Ingeniería clínica y hospitalaria …………………………………………..7

1.5 La bioingeniería en el mundo…………………………………………………………11

1.6 La estructura del conocimiento en la bioingeniería ……………………….17

1.7 La educación en bioingeniería ………………………………………………………19

1.8 La inserción laboral del bioingeniero ……………………………………………..21

1.9 Instrumentación médica generalizada…………………………………………..23

1.10 Conclusiones …………………………………………………………………………………24

1.11 Preguntas de repaso ……………………………………………………………………..25

1.12 Referencias ……………………………………………………………………………………26

CAPÍTULO 2

Instrumentación biomédica …………………………………………………………………….29

2.1 Resumen prelimina …………………………………………………………………………31

2.2 Introducción …………………………………………………………………………………..31

2.3 Instrumentación médica …………………………………………………………………31

2.4 Estructura general de un sistema de instrumentación biomédica ……..32

2.5 Características de la instrumentación biomédica …………………………….34

2.6 Modos de funcionamiento alternativo de

la instrumentación biomédica ……………………………………………………………35

2.7 Restricciones de las mediciones en los equipos utilizados

en la instrumentación médica ……………………………………………………….36

2.8 Criterios de diseño de los equipos utilizados para

la instrumentación médica …………………………………………………………….38

2.9 Características y especificaciones generales de los equipos

utilizados en la instrumentación médica ………………………………………..39

2.10 Conclusiones …………………………………………………………………………………41

2.11 Preguntas de repaso ……………………………………………………………………..42

2.12 Referencias ……………………………………………………………………………………44

X

CAPÍTULO 3

Los electrodos ……………………………………………………………………………………………….45

3.1 Resumen preliminar …………………………………………………………………………….47

3.2 Introducción ……………………………………………………………………………………….47

3.3 Electrodos …………………………………………………………………………………………..48

3.4 Interfaz electrodo-electrolito ………………………………………………………………49

3.5 Electrodos polarizables y los no polarizables ……………………………………….53

3.6 Sistema electrodo-piel ………………………………………………………………………..54

3.7 Diferentes tipos de electrodos …………………………………………………………….55

3.8 Electrodos para la piel: ECG, EEG y EMG ……………………………………………56

3.9 Electrodos internos, micro-electrodos y electro-estimulación …………….60

3.10 Características del gel para un electrodo ………………………………………….62

3.11 Conclusiones ………………………………………………………………………………………65

3.12 Preguntas de repaso …………………………………………………………………………..66

3.13 Referencias …………………………………………………………………………………………68

CAPÍTULO 4

Los biopotenciales eléctricos ………………………………………………………………………..69

4.1 Resumen preliminar …………………………………………………………………………….71

4.2 Introducción ……………………………………………………………………………………….71

4.3 Biopotenciales eléctricos ……………………………………………………………………72

4.4 Principios fisiológicos de los biopotenciales eléctricos ………………………..73

4.5 Potenciales de membrana, de reposo y de acción …………………………..75

4.6 Tejido excitable: células nerviosas y musculares …………………………………81

4.7 Propagación de las señales eléctricas ……………………………………………….83

4.8 Conducción volumétrica ……………………………………………………………………84

4.9 Generadores de biopotenciales: sensado, excitación y sistemas

autónomos …………………………………………………………………………………………92

4.10 Conclusiones ………………………………………………………………………………………93

4.11 Preguntas de repaso …………………………………………………………………………..94

4.12 Referencias …………………………………………………………………………………………95

CAPÍTULO 5

El sistema cardiovascular: su electrofisiología y su instrumentación…………….101

5.1 Resumen preliminar ………………………………………………………………………….103

5.2 Introducción ……………………………………………………………………………………..103

5.3 La anatomía del corazón…………………………………………………………………105

5.3.1 El corazón derecho …………………………………………………………………..106

5.3.2 El corazón izquierdo ………………………………………………………………….107

5.3.3 La estructura del miocardio ……………………………………………………..108

5.3.4 La estructura de las aurículas ……………………………………………………109

5.3.5 La estructura de los ventrículos …………………………………………………109

5.4 El corazón como una bomba …………………………………………………………..110

5.5 Los potenciales en la superficie del cuerpo …………………………………….112

5.6 El electrocardiograma y sus interpretaciones …………………………………..112

AlfAomegA BioingenieríA – Terán Pérez

XI

5.6.1 La instrumentación: el electrocardiógrafo (tipos y

características operativas) ……………………………………………………………….115

5.7 La fibrilación ventricular (FV) ……………………………………………………………..118

5.7.1 La instrumentación: el desfibrilador y la cardioversión ……………..120

5.8 Los marcapasos ……………………………………………………………………………….126

5.9 Conclusiones …………………………………………………………………………………….128

5.10 Preguntas de repaso …………………………………………………………………………129

5.11 Referencias ……………………………………………………………………………………….131

CAPÍTULO 6

El sistema cardiovascular: su biomecánica y su presión ……………………………..133

6.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………..135

6.2 Introducción ………………………………………………………………………………..135

6.3 El sistema cardiovascular como sistema hidráulico ………………………136

6.4 La onda de presión: generación, propagación y forma de onda ..143

6.5 Medición directa de la presión sanguínea con catéter ………………..145

6.6 Mediciones indirectas: el tensiómetro y el ultrasonido…………………..146

6.7 Auscultación y fonocardiografía ………………………………………………….149

6.8 Medición del caudal y del volumen de sangre …………………………….153

6.9 Conclusiones ……………………………………………………………………………….156

6.10 Preguntas de repaso ……………………………………………………………………158

6.11 Referencias ………………………………………………………………………………….159

CAPÍTULO 7

El sistema nervioso: su fisiología y su instrumentación ……………………………..163

7.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………..165

7.2 Introducción ………………………………………………………………………………..165

7.3 El sistema nervioso central ……………………………………………………………166

7.4 La célula nerviosa (neurona): distintos tipos de células nerviosas …………… 169

7.5 La anatomía y la fisiología del cerebro …………………………………………177

7.6 Las bio-potencialidades del cerebro ……………………………………………191

7.7 El electroencefalograma (EEG) y su interpretación ………………………194

7.7.1 Las diferentes ondas que tiene un encefalograma (EEG) …….198

7.8 Los potenciales evocados ……………………………………………………………205

7.9 La magnetoencefalografía ………………………………………………………….211

7.10 La estimulación cerebral a través de un electrochoque ………………213

7.11 Conclusiones ……………………………………………………………………………….214

7.12 Preguntas de repaso ……………………………………………………………………216

7.13 Referencias ………………………………………………………………………………….217

CAPÍTULO 8

El sistema respiratorio: su fisiología y su instrumentación …………………………221

8.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………..223

8.2 Introducción ………………………………………………………………………………..223

Bioingeniería – Terán Pérez alfaomega

XII

8.3 Anatomía y fisiología del sistema respiratorio ……………………………….226

8.4 Intercambio de gases en el sistema respiratorio……………………………237

8.5 Modelo del sistema respiratorio ……………………………………………………242

8.6 Medición de la presión en el sistema respiratorio ………………………….244

8.7 Medición del flujo/caudal de gas en la boca y en la nariz …………..248

8.8 Rinomanometría …………………………………………………………………………..253

8.9 Medición de volumen (pletismografía) …………………………………………254

8.10 Medición de concentración de gases en la respiración ………………256

8.11 Medición de gases en la sangre …………………………………………………..258

8.12 Conclusiones ……………………………………………………………………………….259

8.13 Preguntas de repaso ……………………………………………………………………261

8.14 Referencias ………………………………………………………………………………….263

CAPÍTULO 9

El sistema renal: hemodiálisis ………………………………………………………………….265

9.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………..267

9.2 Introducción ………………………………………………………………………………..267

9.3 Funciones y fisiología del riñón ……………………………………………………..268

9.4 Hemodiálisis: diagrama de bloques ……………………………………………..272

9.5 Descripción del sistema básico de hemodiálisis ……………………………277

9.6 Parámetros de control en la hemodiálisis ……………………………………..278

9.7 Sistemas de control de temperatura y de presión negativa………….280

9.8 Ultrafiltración ………………………………………………………………………………..281

9.9 Sistemas de seguridad: detección de hemoglobina y de aire …………..282

9.10 Otros sistemas de diálisis: instalación y bioseguridad …………………….283

9.11 Ósmosis inversa y normas ……………………………………………………………..286

9.12 Conclusiones ……………………………………………………………………………….290

9.13 Preguntas de repaso ……………………………………………………………………290

9.14 Referencias ………………………………………………………………………………….292

CAPÍTULO 10

Cirugía …………………………………………………………………………………………………..299

10.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………301

10.2 Introducción ………………………………………………………………………………301

10.3 Conceptos básicos sobre cirugía ……………………………………………….303

10.4 Principios físicos de la electrocirugía …………………………………………..304

10.5 El electro-bisturí: diagrama de bloques, circuitos típicos,

seguridad y normas ……………………………………………………………………312

10.6 Servo-cunas ……………………………………………………………………………….314

10.7 Oximetría en cirugía …………………………………………………………………..316

10.8 Robots quirúrgicos: el caso del robot Da Vinci ……………………………319

10.9 Conclusiones ……………………………………………………………………………..324

10.10 Preguntas de repaso ………………………………………………………………….326

10.11 Referencias ………………………………………………………………………………..327

AlfAomegA BioingenieríA – Terán Pérez

XIII

CAPÍTULO 11

La neonatología…………………………………………………………………………………….331

11.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………333

11.2 Introducción ………………………………………………………………………………335

11.3 Conceptos básicos de neonatología …………………………………………335

11.4 El ambiente controlado en la neonatología ………………………………335

11.5 Parámetros de control en la neonatología …………………………………345

11.6 Incubadoras: diagramas de bloques, circuitos típicos,

seguridad y normas ……………………………………………………………………352

11.7 Servocunas en neonatología ……………………………………………………..356

11.8 Oximetría en neonatología ………………………………………………………..357

11.9 Conclusiones ……………………………………………………………………………..361

11.10 Preguntas de repaso ………………………………………………………………….362

11.11 Referencias ………………………………………………………………………………..363

CAPÍTULO 12

Seguridad eléctrica y normalización en medicina …………………………………367

12.1 Resumen preliminar ……………………………………………………………………369

12.2 Introducción ………………………………………………………………………………369

12.3 Efectos biológicos de la corriente eléctrica

en el cuerpo humano ………………………………………………………………..372

12.4 Modelo físico del riesgo de choque (shock) eléctrico ………………..375

12.5 Seguridad en las instalaciones eléctricas hospitalarias:

puesta a tierra, protecciones, y alimentación de emergencia …………. 376

12.6 Microchoque y macrochoque eléctrico

(microshock y macroshock) y equipotencialidad ………………………385

12.7 Interferencias de los campos electromagnéticos ……………………….386

12.8 Normas JIS T-1022, VDE-107, NFPA-99, IRAM-4220 e IEC-601 …………387

12.9 Conclusiones ……………………………………………………………………………..411

12.10 Preguntas de repaso ………………………………………………………………….412

12.11 Referencias ………………………………………………………………………………..413

Indice analítico ……………………………………………………………………………………..417