Ingeniería Biomédica

Joaquín Azpiroz LeehanEnero 2007

IntroducciónIngeniería biomédica es la disciplina encargada de conjuntar los mundos de la

ingeniería con la medicina y fisiología para lograr avances en el conocimiento científicoy el desarrollo de la tecnología en medicina y biología. Las actividades que eso incluyevan desde la aplicación de métodos matemáticos, la ciencia experimental, el desarrollotecnológico y de aplicaciones clínicas.

En los años de acelerado cambio tecnológico hay también cuestionamientosacerca de la ética de la aplicación de ciertas tecnologías como el desarrollo de vegetalestransgénicos o el debate sobre los méritos de la energía nuclear, pero es indiscutible quela ingeniería biomédica tiene ventajas fundamentales sobre otros campos de la ciencia yla técnica y estas tienen que ver con el hecho de que el objetivo fundamental de estadisciplina es de mantener saludables a las personas de ayudar a su cuidado y recuperacióncuando están enfermas [Cromwell, 80].

Hay autores que indican que existe la ingeniería biomédica desde que se aplicaronremedios a problemas particulares del individuo como una prótesis del dedo gordo del pieque fue descubierta en una tumba egipcia con una antigüedad de mas de 3000 años[Nerlich, 2000].

Figura 1. Prótesis del dedo gordo del pie de una momia egipcia hallada en Tebas. Las muestrasde desgaste (C) indican que se trataba de una prótesis funcional, no solamente cosmética.

En (D) se muestra la radiografía del pie con su amputación.

Otros autores mencionan a los dibujos anatómicos de Leonardo Da Vinci y susaproximaciones a brazos de palanca o los trabajos de Luigi Galvani y de Lord Kelvinsobre la conducción eléctrica en los seres vivos como los pimeros desarrollos enbioingeniería. En realidad todas las actividades con la solución de problemas médicos pormedio de tecnología o con soluciones de ingeniería podrían considerarse como parte de laingeniería biomédica. Sin embargo, el desarrollo de la instrumentación eléctrica yelectrónica produjo una explosión de resultados y aplicaciones en medicina y biología detal manera que se puede considerar a este momento como uno de los orígenes verdaderos.

Ejemplos de estas últimas aplicaciones son los diseños para el registro de señaleselectrofisiológicas, comenzando por los registros de A.D. Waller en corazones dehumanos (1887), el refinamiento de la técnica por parte de W. Einthoven al desarrollar ungalvanómetro de cuerda (1901) y la aplicación de este al registro de señaleselectroencefalográficas en humanos por Berger (1924).

Electrocardiógrafo de Einthoven.

Electroencefalógrafo de Berger

La instrumentación electrónica a partir de tubos de vacío se empleó por E. LovettGarceau para amplificar estas señales eléctricas y el primer sistema deelectroencefalógrafo comercial de tres canales fue construido por Alfred Grass en 1935.Otro ejemplo es el desarrollo de la instrumentación en imagenología. Desde eldescubrimiento de los rayos-X por Röntgen en 1895 hasta su primera aplicación enbiomedicina pasó una semana. Desde 1896, Siemens y General Electric ya vendíanestos sistemas. En la actualidad, los nuevos desarrollos en imagenología han tomadomucho mas tiempo en lograr su aplicación clínica. El principio de resonanciamagnética se descubrió en 1946, pero no fue sino hasta 30 años después, que se pudodesarrollar un sistema para uso en humanos.

Campos de acción de la Ingeniería BiomédicaComo se ha visto anteriormente, la IB inició su desarrollo con el diseño y

construcción de instrumentación médica de diversos tipos. Sin embargo, a finales delsiglo XX, los equipos de imagenología (rayos X, ultrasonido, tomografía computada yresonancia magnética, principalmente) tuvieron cada vez una importancia mayor debidoal aporte de estos equipos para el diagnóstico de múltiples padecimientos, de tal maneraque en la actualidad la mitad del gasto de equipamiento médico en un hospital es ensistemas de este tipo. Desde el punto de vista del tipo de instrumentos y procesos que seemplean, las distintas ramas de la IB se pueden clasificar en: Instrumentación Médica;Biomecánica y rehabilitación; Procesamiento digital de señales; Imagenología yprocesamiento de imágenes; Ingeniería Hospitalaria y Gestión Tecnológica. Estos son lostemas que se abordarán en las siguientes secciones, donde se incluirá una secciónadicional sobre nuevas tecnologías.

Inicios de la Ingeniería Biomédica en MéxicoA. Cibernética y Biofísica

En México, el inicio de la Ingeniería Biomédica tiene sus raíces directas en lacolaboración de Arturo Rosenblueth con el fisiólogo Walter B. Cannon y después conNorbert Wiener en el Instituto Tecnológico de Massachussets y la escuela de Medicina deHarvard desde 1937 hasta 1943. Esta colaboración la siguieron en 1945-46 en seminariosen el Instituto Nacional de Cardiología en México, de donde surgieron las ideasprincipales del concepto de la cibernética. Cannon y Rosenblueth habían apoyado a losdesarrollos de instrumentación de Albert Grass en Harvard, y éste a su vez, ya establecidoapoyó a muchos estudiantes e investigadores en fisiología a través de becas para estanciasproporcionadas por su fundación.

Uno de los primeros beneficiarios de estas becas fue Joaquín Remolina López,quien se desenvolvía en 1952 como ayudante del Departamento de Fisiología del INC,después de haberse graduado de Médico Cirujano en 1950. Gracias a la beca, el Dr.Remolina pudo formarse como fisiólogo en las Universidades de Cincinnati y de NuevaYork, donde se descubrieron sus habilidades para la instrumentación. A su regreso, seincorporó al Departamento de Fisiología y Biofísica del CINVESTAV, donde estudió sumaestría. Finalmente se mudó al Departamento de Farmacología de la misma institución,donde fundó la Maestría en Bioelectrónica en 1972. Es aquí donde se formaron losprofesores que inician los desarrollos de programas posteriores por parte del InstitutoPolitécnico Nacional: Ingeniería Biomédica en UPIBI Unidad ProfesionalInterdisciplinaria de Biotecnología en 1988 y Biónica en UPIITA Unidad ProfesionalInterdisciplinaria de Ingeniería y Tecnología Avanzadas, en 1996.

Parte de la influencia del grupo de cibernética y biofísica fundado porRosenblueth se recibió en la UNAM, donde se establecieron y formaron investigadorescomo Getrtrudis Kurz e Ismael Espinosa y posteriormente Rolando Lara y FranciscoCervantes. Parte de la herencia se mantiene en grupos dentro de la Facultad de Ciencias yen la actualidad existe una opción terminal en Ingeniería Biomédica para alumnos deIngeniería.

B. Ingeniería en HospitalesDesde 1965, el Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS) fundó el primer

departamento para mantenimiento y servicio de equipo médico en México, denominadola Oficina de conservación de Equipos Médicos. Esta oficina, bajo las órdenes delIngeniero Schulz, contaba con mas de 50 personas entre ingenieros y técnicos para darsoporte al sistema de seguridad social mas importante del país. El Ing. Schulz, junto conlos Ingenieros Hilario Hito y Luis Serbón construyeron un sistema que pudo darmantenimiento a un instituto con mas de 40000 camas y en una época tuvo su edificiopropio en las instalaciones del Centro Médico Nacional. El personal técnico y profesionalestaba formado principalmente por ingenieros en electrónica, con formaciones específicasen diversos tipos de instrumentación médica proporcionadas internamente. A pesar dehaber sido invitados a participar en la formación de la nueva carrera de IngenieríaBiomédica que la UAM iniciaba, siempre se negó a aceptar o a participar en este tipo deformaciones, dependiendo únicamente de sus formaciones internas, debido en parte a lasmalas experiencias anteriores con la Unidad de cuidados intensivos diseñada en elCINVESTAV, y también como medida de autoprotección gremial. Durante el terremoto

del 19 de septiembre de 1985, el edificio que alojaba a esta oficina quedó destruido ynunca se reconstruyó. En el nuevo proyecto del Centro Médico Siglo XXI, se decidiódescentralizar a la mayoría de este personal y algunos ingenieros con mucha experienciadecidieron abandonar el IMSS y establecieron exitosamente sus propias empresas deservicio de equipos médicos, tal y como sucedió al Ing. Luis Serbón.

Mural pintado por Diego Rivera en el Instituto Nacional de Cardiología donde se muestran losresponsables de diversos avances tecnológicos en cardiología y sus invenciones, incluyendo a Samuel Von

Basch, quien inició sus estudios auscultatorios para determinar la presión arterial en México mientrasfungía como el Médico del Emperador Maximiliano de Habsburgo.

En 1976, Enrique Hernández Matos, quien regresaba de Alemania con unDiplomado en Ingeniería Biomédica, y varios médicos colaboradores fundaron el primerservicio de ingeniería biomédica propiamente formado, en el Hospital General 20 deNoviembre del ISSSTE. Esta fue la primera vez que se contó con verdaderos ingenierosbiomédicos dentro de un hospital en México. Este departamento sirvió de modelo paratodos los departamentos siguientes que se fueron estableciendo desde los finales de losaños 70 en los grandes hospitales del sector salud (Institutos Nacionales), notablementeen el Instituto Nacional de la Nutrición en 1979 y posteriormente en hospitales privados.El establecimiento de este servicio fue importante también porque permitió la enseñanzade la ingeniería biomédica dentro de un ambiente hospitalario y porque estaba abierto aestudiantes y voluntarios de distintas procedencias. El Ing. Hernández Matos se incorporótambién a la UAM como profesor de la UAM en esta época. La UAM asignó en variasépocas a varios profesores para que impartieran sus clases dentro de las mismasinstalaciones hospitalarias.

En los hospitales privados, la implantación de los servicios de ingenieríabiomédica se derivó de la necesidad de contar con un registro fidedigno de control decalidad y de la seguridad de la instrumentación médica, y de sistemas de gestión detecnología en salud. Esto ocurrió en el inicio de los años 80, notablemente en el HospitalMédica Sur, cuyo departamento estuvo a cargo de la Ing. Teófila Cadena, egresada de laprimera generación de la UAM, y en el hospital Humana (hoy Ángeles del Pedregal) bajola responsabilidad de Jorge Takenaga y Armando Chávez, egresados de la primerageneración de la UIA.

En la actualidad existen mas de 50 servicios de Ingeniería biomédica en hospitalestanto públicos como privados, En el sector público se distinguen los servicios en todoslos Institutos nacionales de salud y en algunos hospitales del ISSSTE (El IMSS sigue sinaceptar esta forma de organización), mientras que casi todos los hospitales privados quemantienen asociaciones con compañías de seguros, cuentan con un servicio interno.

Inicio de la Docencia e Investigación en Ingeniería Biomédica en MéxicoYa se ha mencionado como en 1972 se fundó la maestría en bioelectrónica dentro

del Departamento de Farmacología del CINVESTAV, gracias al interés particular deJoaquín Remolina, quien había reorientado sus intereses de la biofísica al desarrollo de lainstrumentación, haciendo estancias en Estados Unidos financiado por la FundaciónGrass.

En esa época, el país seguía una política de crecimiento basada en elproteccionismo y la sustitución de importaciones (“el desarrollo estabilizador”). Sinembargo, fue cada vez mas evidente que esta política no orientaba al país a laindependencia tecnológica, ya que la iniciativa privada, al contar con un mercado cautivoestaba poco interesada en llevar a cabo desarrollos innovadores. Los grandes proyectoseducativos llevados a cabo en los años 40s y 50s, el Instituto Politécnico Nacional y lareforma y ampliación de la UNAM habían resuelto los problemas de falta de personaltécnico para la modernización de México después de las grandes nacionalizaciones (IPN)y del crecimiento de la demanda de formaciones profesionales convencionales otradicionales, pero estaban orientadas casi exclusivamente a la docencia y su modelo se

basaba en la impartición de clases por parte de profesionistas que eran contratados comoprofesores por horas, de tal manera que aunque se iniciaron laboratorios, centros oinstitutos de investigación, estos siempre estuvieron aislados de la parte docente. Elmodelo de Universidades que sustentaran la investigación nacional, promovido enEstados Unidos por Vannevar Bush en la época de la segunda guerra mundial, no seconsideró en México sino hasta 25 años después.

Los pobres resultados en innovación industrial, aunados a las presiones derivadasdel movimiento estudiantil en 1968 orillaron a estudiar la apertura de nuevasoportunidades educativas. En primer lugar, se consolidó el sistema de universidadesestatales, ya que habían estados que no podían ofrecer una formación profesional localanteriormente. Adicionalmente se hizo evidente la necesidad de ampliar la ofertaeducativa en la capital del país, con estrategias innovadoras que permitieran lainnovación en múltiples aspectos, incluyendo la asesoría y la vinculación con la industria.El resultado de esta conclusión fue la creación de la Universidad AutónomaMetropolitana en 1973.

Existen varias características que han separado a la UAM de las demásinstituciones educativas en México. En primer lugar la organización por Departamentos yDivisiones, que eliminan la estructura tradicional de facultades y escuelas, fomentando lainterdisciplina entre grupos afines; la figura de profesor/investigador que demanda a lapersona que se dedique a ambas actividades con igual intensidad y una estructura degobierno basada en consejos a distintos niveles y con participación amplia de alumnos,profesores y autoridades. Todo esto se complementa con varias unidades con rectoríasindependientes, cada una con personalidad propia (esto ya no fue producto de planeación,sino más bien resultado de las características de los grupos fundadores en cada unidad).La búsqueda de la innovación y el deseo de participar mas directamente en el desarrollonacional orillaron también a iniciar, aparte de la docencia en licenciaturas tradicionales,un conjunto de nuevas formaciones como Ingeniería Física, Ingeniería Hidrológica,Ingeniería en Energía e Ingeniería Biomédica.

Por otro lado, desde el ámbito de las universidades privadas, La UniversidadIberoamericana, buscando también diversificar su oferta educativa, a partir de laformación en ingeniería eléctrica y junto con el cambio de estado de ser una instituciónavalada por la UNAM a ser considerada como una Universidad con reconocimientooficial propio (1973-74), ofreció primero una opción terminal de Ingeniería Biomédica(último año de la licenciaura) y posteriormente el título de Ingeniero Biomédicodirectamente. Esta nueva licenciatura fue iniciada por el Ingeniero Juan Vargas Sierra,apoyado por un variado grupo de médicos e ingenieros de formación eléctrica yelectrónica. Posteriormente se incorporó el Dr. Arthur Sanderson, de la UniversidadCarnegie-Mellon, EUA, quien dio un fuerte impulso a la línea de biomecánica, ya que suespecialidad era la robótica. En corto tiempo se incorporaron egresados que habíanconcluido estudios de maestría en el extranjero como Jorge Takenaga y ArmandoChávez.

Desde el punto de vista de los inicios de la investigación, es importante tambiéncitar al Departamento de Informática Médica del Instituto Nacional de Cardiología,fundado en 1975 por los Carlos García Moreira y César González Beltrán, queposteriormente dio origen al laboratorio de instrumentación electromecánica en el mismo

instituto en 1984. Este grupo fue la semilla de otros más como el Centro de desarrollo yaplicaciones tecnológicas del ISSSTE en 1986.

En la UNAM, a partir del grupo fundado por Arturo Rosenblueth en el Institutode Cardiología, iniciaron trabajos de investigación en cibernética, la Maestra GertrudisKurtz, Ismael Espinosa y posteriormente sus alumnos Francisco Cervantes y RolandoLara, que terminaron su formación en el extranjero. Aunque los integrantes de este grupoya no se encuentran ahí, su influencia y sus aportaciones a nivel nacional han sidonotables. Parte de los herederos de este grupo, junto con alumnos del Dr. García Moreiraen la Facultad de Ciencias continúan con varias líneas de investigación afines a lacibernética y la biofísica. En la actualidad existe una opción terminal de IngenieríaBiomédica para alumnos de diversas ingenierías convencionales: mecánica, electrónica ycomputación.

En la UAM, el grupo iniciador recibió influencias de muy variadas fuentes:Miguel Lindig, de Conservación de Equipos médicos del IMSS se asoció con FernandoBerdichevsky, que contaba con una Maestría en Ingeniería Biomédica del InstitutoTechnion de Israel y Bonfiglio Muñoz, médico cirujano, con experiencia en fisiologíacardiopulmonar. Al poco tiempo se incorporaron Christopher Cutler, de la Universidadde Utah y Fernando Prieto de Sussex, ambos con doctorados en Ingeniería Biomédica, yEnrique Hernández Matos, con Diplomado en Ingeniería biomédica. En estas épocas(1975-76) se presentan los primeros trabajos de investigación en IB de la UAM enconferencias internacionales. Es importante mencionar también varias personas quetuvieron influencia directa e indirecta en el desarrollo del Área de Investigación enIngeniería Biomédica en la UAM: El Dr. Max Valentinuzzi, de la Universidad de Baylory co-desarrollador del fisiógrafo hizo estancias en 1976 y 1999, donde ayudó a consolidary modernizar la visión de las líneas de instrumentación biomédica; el Dr. Jorge Auñón dePurdue, que ayudó a consolidar las líneas de procesamiento de señales y al mismo Dr.García Moreira que ayudó a formar a un número importante de egresados, algunos de loscuales impartieron clases en la UAM. Ya mas tarde, al iniciar la maestría en ingenieríabiomédica en la UAM, en 1983, los profesores Espinosa, Cervantes y Lara, de la UNAMayudaron a fortalecer a la planta académica de la UAM y dirigieron a varios alumnos.

En resumen, las influencias en la formación del personal de Ingeniería Biomédicay en la implantación de la licenciatura y el posgrado en la UAM han sido muy variadas:desde el grupo proveniente de ingeniería de hospitales del IMSS, profesores conposgrados en el extranjero y disciplinas afines, hasta la influencia indirecta de los padresde la biofísica y la cibernética en México. Esta diversidad ha permitido que el desarrolloa nuestros días de la docencia y la investigación en Ingeniería Biomédica en la UAM searealmente sólida. Los laboratorios y las formaciones académicos en este campo sonauténticas referencias nacionales y en el extranjero.

El cuadro muestra los fundadores de las diversas escuelas y centros de investigación en México desde suinicio hasta la implantación de la docencia en licenciatura y posgrado en los años 70

El cuadro muestra a las personas e instituciones que influyeron significativamente en el inicio de laIngeniería Biomédica en la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Es importante remarcar que

la UAM estuvo abierta a recibir profesores, investigadores y visitantes de procedencias y formacionesdiversas, lo cual ayudó a consolidar al grupo de profesores/investigadores en esta disciplina.

Instrumentación MédicaEsta es la línea de investigación que se desarrolló originalmente a partir de finales

del siglo XIX y a principios del siglo XX, que ya se han mencionado. El desarrollo de lostubos de vacío durante la primera guerra mundial proporcionó un gran impulso aldesarrollo inicial de la instrumentación médica. Es así como se desarrollaron los primerossistemas comerciales para electrocardiografía (ECG) por Siemens y Halske en 1920 y deelectroencefalografía a mediados de esa década por Hans Berger y colaboradores. Elprogreso se aceleró después de la 2ª guerra mundial, cuando se generaron excesos en ladisponibilidad de equipo electrónico como amplificadores y registradores que propiciaronla construcción de equipos con fines biomédicos. Sin embargo, los resultados de estaetapa de desarrollo (años 50) no fueron enteramente satisfactorios. Los ingenieros sedieron cuenta de que los parámetros fisiológicos no se podían medir de la misma maneracomo se medían parámetros físicos y por consiguiente fue necesario que aquellosinteresados en este campo, conocieran la fisiología humana y animal con mayorprofundidad. Finalmente algunas compañías lograron tener éxito cuando comenzaron adiseñar equipo específico para aplicaciones biomédicas. Las necesidades de monitoreotelemétrico del programa espacial norteamericano impulsaron grandemente al mercadode tal manera que en la década de los 70, ya se habían establecido las bases para fundarun gremio o una asociación profesional de especialistas en IB [Cromwell, 80].

La comprensión de que las mediciones en seres vivos era fundamentalmentediferente a la de objetos inanimados llevó a la definición de la unidad hombre-instrumento. En este caso la problemática encontrada para la aplicación de lainstrumentación en el campo médico biológico tiene varios factores que son:

1. Inaccesibilidad a las variables a medir2. Variabilidad de los datos3. Interacción entre sistemas fisiológicos4. Efecto del transductor sobre la medición5. Artefactos6. Limitaciones sobre la energía y consideraciones de seguridad.

Uno de los principales problemas en la medición de variables fisiológicas es laaccesibilidad de esta última. Frecuentemente, no es posible tener acceso directo a lavariable a medir (por ejemplo, procesos bioquímicos en el cerebro) y entonces esnecesario obtener información a través de variables indirectas (medición de laoxigenación local en el cerebro, producto de un incremento en el metabolismo celular)que representen de alguna manera al proceso que se quiere describir, a pesar de laslimitaciones que esto implica. En otros casos, deben construirse transductores de tamañosmuy pequeños para limitar la invasividad de los mismos, pero esto implica una pérdidaen la precisión de las mediciones.

Las variables que se miden en sistemas biológicos no pueden considerarse comodeterminísticas, sino que deben considerarse como variables aleatorias. Es decir, que cadavez que se miden, la respuesta es distinta, aunque parecida. En estos casos, es necesariolleva a cabo análisis estadísticos para obtener información a partir de una serie demediciones en lugar de obtener una sola.

Numerosos sistemas fisiológicos están controlados a través de diversos lazos deretroalimentación, de tal manera que algunos parámetros que se miden a la salida delsistema afectan al comportamiento de este control. Un ejemplo de esto es el control de lapresión arterial. Sin embargo, varios de estos sistemas de control están interconectados, ypor lo tanto es difícil encontrar relaciones de causa y efecto puras, sin interferencias deotras entradas y más difícil poder cortar estos lazos de interrelación.

Cada variable que se desea medir es afectada en alguna manera por el transductorque realiza la medición. Por ejemplo, cuando se emplea un medidor de flujo arterial, estetransductor restringe el flujo normal que se desea medir y esto afecta las características deflujo y volumen del sistema. Cuando se desea medir el voltaje intracelular de una célulaexcitable, es necesario emplear un microelectrodo que perfore a la membrana celular, loque ocasiona fugas de los mismos iones que se quieren medir. Al diseñar un sistema demedición, el ingeniero debe tener mucho cuidado para asegurarse que las modificacionese interferencias generadas por el transductor sean mínimas.

La palabra artefacto indica a una parte de la señal medida que es espuria o que noproviene del fenómeno fisiológico que se quiere medir. Un caso muy común es el que seencuentra con los movimientos del paciente. Por ejemplo, el movimiento respiratorioinduce ruido o artefactos dentro de las señales electrocardiográficas. En algunosmomentos estos artefactos pueden enmascarar completamente a la señal.

Muchas técnicas de mediciones fisiológicas se basan en aplicar algún tipo deenergía al sistema viviente para poder obtener una medida. Por ejemplo, para medir laresistencia eléctrica de un tejido, es necesario aplicar un voltaje o una corriente. Esnecesario asegurarse de que esta corriente no produzca excitaciones eléctricas indeseadas,o que no hayan incrementos e temperatura que afecten a las variables a medir. En estemismo sentido es necesario asegurarse que las energías aplicadas no pongan en riesgo laseguridad del paciente, que no generen trauma o dolor.

A partir de los factores mencionados anteriormente debe quedar claro que laobtención de mediciones de un ser vivo tiene una problemática mas compleja que lamedición de fenómenos inanimados. Este reto es lo que hace que el diseño de lainstrumentación médica sea una disciplina tan interesante. El hecho de que se trata deefectuar mediciones o controlar parámetros para el beneficio de pacientes hace aún masatractiva esta actividad.

El amplificador de InstrumentaciónSe había mencionado que algunos de los descubrimientos notables en el registro

de señales electrofisiológicas fueron los diseños de Waller y Einthoven. Parte delproblema era que la sensibilidad necesaria para detectar cambios de voltaje tan pequeñosera difícil de obtener con las técnicas de mediciones de esa época. El diseño delgalvanómetro de cuerda de cuarzo de Einthoven permitió eliminar las limitaciones deestos aparatos de medición mediante modificaciones ingeniosas a los principios yadescritos. Por este trabajo y por la descripción del electrocardiograma, obtuvo el PremioNobel de Fisiología o Medicina en 1924. El comité que le otorgó el premio mencionóque logró:

Construir un instrumento de registro que obtenga directamente lasvariaciones de potencial de estas magnitudes fue un problema queEinthoven resolvió con su galvanómetro de cuerda (1903). Para construiresto, comenzó a partir del galvanómetro de Deprez-D’Arsonval y remplazólas partes móviles por un filamento de cuarzo plateado, entre los polos delimán y dentro de un sistema de iluminación. La reducción de masa en laspartes móviles permite una gran sensibilidad y respuesta rápida.

J.E. Johansson, Chairman of the Nobel Committee for Physiology or Medicine (1924)De Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1922-1941, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1965

Este principio se siguió empleando hasta la segunda década del siglo XX. Ecclesy De Burgh emplearon válvulas termiónicas (tubos) acopladas a circuitos de puentes deWheatstone para amplificar las señales electrocardiográficas de galvanómetros de cuerdaAl inventarse los amplificadores de tubos de vacío fue posible diseñar un amplificadordiferencial. Lo que se amplifica es la diferencia entre las dos rejillas. Las señales en laplaca están en oposición de fase. La señal entre las dos rejillas es la señal diferencial ycualquier señal que esté presente en ambas rejillas es la señal en modo común y sesuprimen en este circuito. Esta supresión del modo común depende de lo constante quesea la corriente de cátodo y que tan bien pareados estén los tubos. Las impedancias deentrada son altas, la impedancia de salida es baja y la ganancia puede ser entre media yalta.

La figura muestra un amplificador diferencial hecho a partir de tubos de vacío. El desarrollo de sete tipo deinstrumentos facilitó la adquisición de señales bioeléctricas a partir de principios del siglo XX.

La aparición de los transistores y mas aún, la construcción de circuitos queintegraban a varios transistores en un amplificador operacional favoreció grandemente eldesarrollo de la instrumentación electromédica. Los amplificadores operacionales desdesu diseño cuentan con una entrada diferencial, por lo que son ideales para las aplicacionesque requieren amplificar pequeñas variaciones de potencial.

En la figura se muestra un amplificador diferencial construido a partir de un amplificadoroperacional con una ganancia dada por:

€

SalidaV = 2R1R 2V − 1V( )

En general en estos amplificadores la impedancia de entrada está limitada por laresistencia R1, por lo que muy frecuentemente se emplean otros amplificadoresoperacionales en configuración de seguidores de voltaje para proporcionar impedanciasde entrada muy elevadas, tal y como se muestra en la figura siguiente.

Finalmente se muestra un circuito moderno de un amplificador diferencialintegrado en un circuito (AD620) para aplicaciones médicas, junto con un circuitodiferenciador para detectar únicamente los picos correspondientes al complejo QRS delelectrocardiograma, que siguen hacia un comparador de nivel. La salida de este llegará alsistema de control de un marcapaso. Por supuesto que se requerirá de una etapa deaislamiento del paciente antes de la conexión a los electrodos.

Nuevos desarrollos de instrumentaciónComo ejemplo de nuevos desarrollos en el campo de la instrumentación

biomédica en México se puede mostrar el desarrollo de un sistema de calorimetríaindirecta basado en la determinación del consumo de oxígeno y la producción de bióxidode carbono, desarrollado en el laboratorio de mediciones metabólicas (LAMEME) de laUAM-I.

Los objetivos de LAMEME son además de generar conocimiento de innovaciónen técnicas instrumentales y modelos de medición del metabolismo es también crearsoluciones a proyectos de desarrollo tecnológico demandados por los Sectores Salud yempresarial.

Uno de los principales avances es la creación innovadora de un algoritmo demedición del VO2 y VCO2 a manera de series discretas estocásticas en el tiempo,respiración a respiración. Los resultados tecnológicos que se esperan de ésta forma nuevade medir en la técnica de calorimetría indirecta es la creación de una nueva generación deinstrumentos calorimétricos que permitan interpretar la variabilidad metabólica a cortoplazo que a su vez permita obtener estudios de calorimetría indirecta más confiables. Estocon el beneficio directo de realizar una mejor estimación del gasto energético y modelarlos mecanismos de control del metabolismo en normalidad y fisiopatología.

Cámara de Mezcla

O2 CO2 Atmósfera

Bomba de vacío

21%[ O2]10% [CO2]

Deshidratador

Flujómetro TSI

FlujómetroUltrasónico

AtmósferaGas espirado

Atmósfera

MGM-2

Acondicionador+A/D

Muestra de gas

Resultados preliminares.Resultados preliminares.

Esquema del diseño de un calorímetro híbrido para propósitos de investigación para hacer medicionesrespiración a respiración diseñado en LAMEME.

Instrumentación para Terapia Intensiva y Órganos ArtificialesDentro de las líneas de investigación del Centro de Investigación en

Instrumentación e Imagenología Médica (CI3M) de la UAM-Iztapalapa, el desarrollo deinstrumentación y de órganos artificiales tiene una importancia especial, sobre todo si setiene en cuenta que todos los desarrollos de esta línea se han hecho a través de conveniosde colaboración y de transferencia tecnológica con la industria, donde la idea principal esel desarrollar prototipos en estado avanzado de desarrollo. El mercado al cual se enfocaeste tipo de diseños es en general, el mercado internacional.

El espectrómetro de impedancia, se desarrolló en conjunto con una empresa dedesarrollo tecnológico, Innovamédica, que se ha encargado de amueblar y equipar allaboratorio de instrumentación y que ha financiado al proyecto. Este sistema se encuentraen la fase de pruebas con pacientes, gracias a una colaboración importante con el InstitutoNacional de Cardiología. Previamente se han concluido pruebas con voluntarios sanos ypruebas con 80 pacientes que han sufrido una cirugía cardiaca. En la actualidad se haconcluido la fase de pruebas clínicas en un estudio multicéntrico, donde participan cincohospitales de la Ciudad de México. A partir de esta fase de estudio se pudo diseñar alsistema final, y ya se cuenta con resultados que han demostrado ser importantes para elpronóstico de pacientes en terapia intensiva.

El otro proyecto, es un dispositivo de asistencia ventricular tanto en un periodo transoperatoriocomo para soporte en espera de un transplante, también se encuentra en un estado importante de avance. Laidea principal de este dispositivo es de basarse en el principio de tecnología de desechables y de sustituir la

utilización de corazones artificiales completos cuando este remplazamiento radical no es estrictamentenecesario.La construcción del dispositivo está completa, así como su unidad de control y alimentación. Los

primeros ensayos de implantes agudos en animales se hicieron tanto en el quirófano del Centro, como enlos quirófanos experimentales del Instituto Nacional de Cardiología en los meses pasados. En la actualidad

se está en proceso de iniciar la serie de experimentos para implantes de larga duración antes de procedercon la implantación en humanos.

Modelo experimental del dispositivo de asistencia ventricular implantable.

Primer prototipo del espectrómetro de impedancia para monitoreo de pacientes en terapia intensiva

ReferenciasJ Physiol. 1920 December 7; 54(4): 287–291.The use of thermionic valves with the string galvanometerI. de Burgh Daly and K. E. Shellshear