Capitol 1 Introducere Suport Curs

7/27/2019 Capitol 1 Introducere Suport Curs

1/8

i1. INTRODUCERE

Ingineria biomedicalstudiaz aparatura de investigare, terapie, monitorizare i de laboratorutilizat n biologie i n medicin, precum i principiile, metodele i tehnicile care stau la baza

exploatrii acestei aparaturi. Ingineria biomedical creeaz modele funcionale, aparaturmedical, implanturi i proteze mecanice, organe artificiale. De asemenea, Ingineria medicalpresupune nu numai producerea de echipamente biomedicale performante, ci i utilizarea acestorechipamente n condiii de calitate a actului medical i de securitate pentru pacient i personalulmedical.

Cele mai simple aciuni ale vieii de zi cu zi constituie obiect de studiu pentru specialitii dindomeniul Bioingineriei (biologi, fizicieni, ingineri si medici). Progresele obinute n domeniulBioingineriei constituie rezultatele muncii n echip a bioinginerilor i a medicilor.

Ramurile ingineriei biomedicale conform clasificrii IEEE - EMBS (Societatea de Inginerie n

Medicin i Biologie ) sunt:

Biomecanica - studiaz mecanica fluidelor (simularea funcionrii aparatelorcardiovascular i urinar, analize de laborator, tratamente specifice - hemodializa) imecanica corpului solid (studiul funcionarii aparatului locomotor, implantare i

protezare, osteosinteza fracturilor). Un capitol aparte al Biomecanicii l constituietehnicile sportive, mbuntirea performanelor sportivilor.

Biomateriale - studiaz aparatura medical de intervenie (ace, electrozi, instrumentaroperator, etc.), protezele anatomice (implanturi, interventii stomatologice) din punct devedere al calitii materialelor utilizate, n special al biocompatibilitii.

Biotehnologii medicale - se refer mai ales la proiectarea, producerea i utilizarea demateriale noi (instrumentaie, medicamente, etc), elaborarea de tehnologii terapeutice.

Biosenzori - se ocup cu detectarea semnalelor (informaiilor) fiziologice i convertirealor n semnale tehnice standardizate, de cele mai multe ori electrice, pentru a ficuantificate.

Modelarea, simularea i controlul sistemelor biologice - urmrete stabilirea unorteorii cat mai riguroase privind mecanismele de desfurare a proceselor fiziologice imodelarea matematic a acestora n scopul limitrii experimentelor in vivo.

Instrumentaie biomedical n strns legatur cu domeniul biosenzorilor ibiomaterialelor; vizeaz creterea calitii i siguranei investigaiilor medicale utile ndiagnosticare, interveniilor terapeutice i chirurgicale, monitorizarea actului medical,etc.

Analiza semnalelor n medicin i biologie - prelucreaz i analizeaz statisticsemnalele nregistrate prin diferite masurri n scopul extragerii maximului de informaieutil n diagnosticare i monitorizare.

Bioingineria de recuperare - prezint aspecte terapeutice prin procedurile medicale

recuperatorii (balneo i fizioterapie, stimulare electric i magnetic) asistate de aparaturspecializat, dar i de protezare, n acord cu domeniile biomaterialelor i biosenzorilor).

1


2/8

Implanturi - proteze i organe artificiale - domeniu strns legat de cel albiomaterialelor i al simulrii i modelrii fiziologice, avnd drept scop nlocuirea unorsegmente anatomice cu structuri similare artificiale; se pun probleme de compatibilitatefuncional i toleran- din partea organismului. Implanturile se pot clasifica din punct devedere funcional n implanturi active (organele artificiale) i implanturi pasive

(protezele).

Efecte biologice ale cmpului electromagnetic - interaciunea dintre organismele vii icmpurile electrice i magnetice din mediu este un proces continuu i din ce n ce maiaccentuat prin dezvoltarea civilizaiei moderne; se pot pune n eviden att influenenegative (poluare electromagnetic), ct i benefice (terapeutica medical n mediuelectromagnetic); apar probleme de dozare i control n expunere.

Informatica medical - prezint mai multe aspecte:

gestiune de date n cadrul evidenei instituiilor medicale (personal,

financiar, fie medicale, foi de tratament, etc.); baze de date cu informaii medicale accesibile unor comuniti medicale

extinse (telemedicina, colecie radiologic stocat n imagini, dicionar ECG,colecii de imagini tomografice, etc);

asistena computerizat n desfurarea sau pregtirea interveniilor clinice- monitorizare, modelare;

utilizarea facilitilor multimedia n scop informaional i educativ.

Imagistica medical - metod modern i tot mai raspandit de diagnosticare medical(CT, RMN, ultrasunete, etc) se asociaz modelrii matematice i este deosebit de util ncercetarea medical.

Inginerie clinic - vizeaz proiectarea i dezvoltarea de faciliti n domeniul medical(aparatur, construcii, tehnici terapeutice, etc.) oferind soluii tehnice problemelorridicate de medici.

1.2. Clasificarea aparatelor medicale

O categorie important a aparatelor medicale o constituie aparatele electronice, dotate cucalculatoare i software-uri specializate. Acestea permit obinerea rezultatului imediat, ofer

posibilitatea explorrii nedistructive, n majoritatea situaiilor, precum i transmiterea, stocareainformaiilor n baze de date i monitorizarea n timp a investigaiilor efecuate. De asemenea,acest tip de ararate nu influeneaz activitatea biosistemelor.

n prezent, o alt categorie de aparate biomedicale din ce n ce mai rspndite, o constituieaparatele purtate de individ, respectiv cele care pot fi utilizate la domiciliul pacientului pentrucontrolul parametrilor fiziologici, respectiv pentru tratament (termometre, tensiometre, aparate

pentru glicemie, aparate pentru dializ, etc).

Rezultatele spectaculoase obinute cu aparatele biomedicale moderne sunt datorate utilizriicomputerelor.

2


3/8

Principalul criteriu dup care pot fi clasificate aparatele medicale const n scopul pentru careacestea sunt folosite. Astfel, din punct de vedere al destinaiei, aparatele biomedicale pot figrupate n:

Aparatur de laborator, destinat efecturii diferitelor teste microbiologice, n scopul

stabilirii unui diagnostic sau pentru cunoaterea structurii i proprietilor biochimice saubiofizice, a parametrilor fiziologici pentru anumii compui chimici sau probe prelevate dindiferite organe: analizoare hematologice, analizoare biochimice, fotometre, analizoareimunologice, ;

Aparatur pentru diagnostic i cercetare (aparatur pentru explorri funcionale),destinat investigrii organismului uman, n scopul cunoaterii strii normale sau patologice aacestuia: termometre, stetoscoape, fonocardiografe, electrocardiografe, electroencefalografe,electromiografe, electroretinografe, aparate pentru msurarea conductivitii pielii, reografe deimpedan pulmonar sau vascular, aparate Rtgen, etc; tensiometre, otoscoape,oftalmoscoape, laringoscoape, glucometre, etc.

Aparatur pentru terapie, destinat tratamentului unei anumite afeciuni: stimulatoare alesistemului nervos sau muscular,, bi de curent continuu, aparate pentru electroliz, aparate

pentru electroforez, aparate pentru diatermie cu unde scurte sau microunde, ionizatoare,aparate cu raze X, cu radiaii Gamma sau cu fascicule de electroni, generatoare de infraroii,generatoare de ultraviolete, vibratoare, aparate de masaj, aparate laser, aparate pentruhemodializ, aparate pentru fizioterapie (ultrasunete, microunde, unde scurte, laser, vacuum,magnetice, etc), unituri dentare, aparate aerosoli, etc;

Aparatur i instrumentar pentru chirurgie, destinat interveniilor chirurgicale: bisturie,aparate pentru electrocauterizare (elecrocautere si electrobisturie), laparoscoape, mese deoperatie, lampi scialitice, aspiratoare chirugicale, instalatii pentru apa sterila, etc;

Aparatura pentru anestezie, destinat proceselor de anestezie i monitorizrii pacientuluipe perioada anesteziei: ventilaie paturi A.T.I., monitoare, defibrilatoare, pulsoximetre, etc.

Aparatur pentru monitorizare;

Aparatur pentru sterilizare, destinat sterilizrii instrumentarului utilizat n interveniilemedicale:autoclave, pupinele, etc;

Aparatur a si echipamente pentru asistenta medicala de urgenta: trolii, extractoare

portabile cu vacuum, aparate pentru reanimare, defibrilatoare, ventilatoare portabile, etc;

Aparatur pentru implantare/protezare, destinat reabilitrii sau suplinirii funciilornaturale ale corpului uman. Prin intermediul sistemelor de grafic asistat de calculator(CAD), ingineria biomedical i chirurgia ortopedic pot construi proteze individualizate.Anatomia segmentului ce urmeaz a fi implantat sau protezat este nregistrat printr-o tehnicimagistic, iar modelul 3D este realizat folosind programe specializate de reconstrucie.Sistemul CAD realizeaz proiectul sistemului de implantare/protezare, iar sistemul CAMexecut implantele/protezele, precum i dispozitivele necesare interveniei.

Aparatele auditive sunt probabil cele mai rspndite aparate senzoriale produse de ingineria

biomedical. Acestea pot s conin fie tranzistori amplificatori, fie mici circuite integratecare amplific undele sonore mult peste pragul de audibilitate la oameni (ntre 20 i 32 mii

3


4/8

Hz). Undele sonore amplificate sunt transmise prin craniu i prin structurile auditive dinureche. Detectarea vorbirii poate fi fcut eficient prin internediul unui chip. Un programconinut ntr-un chip poate extrage i amplifica foneme sau grupuri de sunete nazale i vocaledin vorbirea unei persoane ctre o persoan ce prezint deficien de auz i care are montat nureche un astfel de chip.

Organe artificiale au ca scopprimordial meninerea vieii. Acestea includ stimulatoarecardiace, plamni artificiali pentru furnizarea oxigenului n timpul operaiilor pe cord deschis,rinichi artificiali. Calitatea organelor artificiale este condiionat calitatea biomaterialelor, de

biocompatibilitatea acestora, de necesitatea utilizrii unor surse de putere mici dar eficiente.

Aparatur pentru cosmetic destinat tratamentelor cosmetice: vaporizatoare, unitipentru corectarea corpului, electrostimulatoare, electroepilatoare, aparate pentru masaj, aparatepentru terapie cu ultrasunete, aparate pentru termoterapie, camere de ionizare, solare, etc.

Aparatur pentru Fitness, destinat exerciiilor pentru ntreinerea i modelarea corpului

Home medical equipments, destinate investigaiilor funcionale i tratamentului, respectivemonitorizrii la domiciliul pacientului. Acest tip de aparate i echipamente sunt utile pentrurecuperrile la domiciliu, sunt confortabile i asigur independena pacientului (mers,mbrcat, enjoy hobbies, etc): aparate pentru explorri funcionale (temperatur, presiunearterial, glicemie, etc), echipamente pentru respiraie, scaune cu rotile, suporturi ajuttoare

pentru mers, aparate pentru terapie fizic, recuperatorie, etc.

De asemenea, aparatele biomedicale pot fi clasificate n funcie de metodele care stau la bazafuncionrii, respectiv a prelucrrii i interpretrii rezultatelor:

Metode cu radiaii X, folosite att pentru diagnostic, ct i pentru terapie (angiografia,computer tomografia);

Metode pe baz de curent electric (electroterapie); Metode bazate pe ultrasunete (efectul Doppler, ecografia); Metoda rezonanei magnetice nucleare (RMN); Metode bazate pe imagistic (tomografia, RMN, ecografia, radiografia clasic).

Este dificil de fcut o clasificare riguroas a aparatelor biomedicale n funcie de metodele carestau la baza funcionrii acestora, deoarece aparatele moderne mbin din ce n ce mai multdiferite metode (combinarea ecografiei cu tehnici Doppler ofer rezultate bune n cardiologie). n

prezent, cele mai spectaculoase rezultate sunt obinute cu aparatele care folosesc metode bazatepe imagistic.

Un alt criteriu de clasificare a aparatelor biomedicale const n gradul de periculozitate almetodelor folosite: metode invazive sau neinvazive. Unele din metode sunt neinvazive, ceea ceconstituie un mare avantaj (vizualizarea cu ajutorul ultrasunetelor, rezonana magneticnuclear). Exist i metode care necesit cateterizri, injectarea unor substane de contrast i/sauutilizarea unor radiaii ionizante.

1.3. Aparatura pentru diagnostic

Diagnosticul histopatologic se bazeaz, n mare msur, pe experiena diagnosticianului, dar ipe rezultatele investigrilor funcionale. n vederea stabilirii unui diagnostic, este necesar s secunoasc valorile normale ale parametrilor fiziologici, valorile specifice ale acestor parametri,

4


5/8

precum i evoluia n timp a acestora. n strile patologice, stabilirea diagnosticului esterezultatul comparaiei dintre valorile mrimilor fiziologice determinate pentru subiectulinvestigat cu valorile mrimilor fiziologice pentru starea normal.

Principalele tipuri de aparate pentru investigarea organismului uman sunt:

Termometrele sunt utilizate pentru msurarea temperaturii corpului uman. Temperatura esteo mrime fiziologic foarte important pentru starea general a organismului uman. Astfel,de la msurarea obinuit a temperaturii unui subiect uman cu ajutorul unui termometruobinuit s-a ajuns la termografele care nregistreaz adevrate hri de temperaturi.

Aparatele pentru msurarea frecvenei cardiace (cardiofrecvenmetre).

Aparatele pentru msurarea pulsului (pletismografe). Mrimile caracteristice pulsului(amplitudine, frecven) depind de frecvena cardiac, de debitul sistolic, de elasticitateavaselor de snge, de presiunea i viteza sngelui. Pletismografia se bazeaz pe variaia

volumului esuturilor ca efect al modificrii fluxului sanguin.

Aparatele pentru msurarea presiunii sngeluipot fi folosite pentru determinarea presiuniiarteriale, a presiunii venoase, intrapulmonare, intraoculare, etc. Presiunea sngelui este omrime fiziologic foarte important pentru sistemul cardiovascular. Msurarea presiuniisngelui se poate face prin metode directe, cnd este folosit un traductor cu cateter, respectiv

prin metode indirecte, cu ajutorul sfigmomanometrelor. Metodele directe sunt mai precise, darnecesit strpungerea vasului de snge.

Aparatele pentru msurarea debitului sanguin se bazeaz pe metode directe (debitmetre cubul, manometre difereniale, rotametre, debitmetre cu ultrasunete, debitmetre

electromagnetice) sau metode indirecte.

Aparatele pentru determinarea impedanei esuturilor funcioneaz pe baz de punte decurent alternativ sau pe baza metodei celor patru electrozi.

Aparatele pentru investigarea sistemului respiratorfurnizeaz informaii despre volumele icapacitile respiratorii (spirometre), despre temperatura n fosa nazal (pneumografe), despreimpedana toracic.

Aparatele pentru nregistrarea semnalelor bioelectrice

nregistrarea biopotenialelor electrice generate de inim (vectorcardiografia,electrocardiografia, fonocardiografia);

nregistrarea biopotenialelor generate de creier (electroencefalografia); nregistrarea biopotenialelor electrice generate de muchi (electromiografia); nregistrarea biopotenialelor generate de ochi electrooculografie, electroretinografie)

Aparatele de diagnostic cu raze X (Rntgen) ofer o vizualizare a formei i densitiidiferitelor organe, a elementelor de structur ale scheletului uman. Metodele care stau la bazafuncionrii acestor aparate sunt:

Radioscopia constituie o metod de investigare dinamic, ce se bazeaz pe efectul defluorescen i pe legea absorbiei selective. Imaginea radioscopic este o imagine

5


6/8

pozitiv a zonei investigate. Doza de iradiere este mare, att pentru pacient, ct ipentru cel care investigheaz. Radioscopia este utilizat pentru investigarea organelortoracice i a tubului digestiv.

Radiografia se bazeaz pe efectul fotochimic al radiaiilor. Imaginea radiografic este

o imagine negativ a zonei investigate. Doza de iradiere este redus. Imaginea obinuteste transpus pe un film radiografic (suport transparent acoperit cu substanfotosensibil).

Tomografia constituie o metod de investigare a diferitelor organe bazat pe studiulunor seciuni prin acestea.

Tomografia computerizat reprezint o metod de imagistic n care, cu ajutorul unuifascicol de raze X, se produce imaginea unui plan selectat din zona de interes.

Aparatele de diagnostic cu ultrasunete ofer informaii despre diferite organe, despre vasele

sanguine i circulaia sngelui. Tehnicile Doppler ofer un mod de abordare neinvaziv pentrustudiului hemodinamicii ntr-un mare numr de tipuri de esuturi. Combinaia dintre unecograf i un vitezometru Doppler const n integrarea n acelai echipament a unui ecografrapid i un detector de informaie Doppler pentru fiecare pixel al imaginii ecografice. ncardiologie, combinarea unui sistem Doppler cu un ecograf constituie un factor decisiv care acondus la un progres n explorarea neinvaziv a hemodinamicii inimii.

Aparate de diagnostic bazate pe Rezonana magnetic nuclear Rezonana magneticnuclear este o metod care permite obinerea unor imagini de seciuni multiplanare, deosebitde precise, prin corpul uman. Forma de interogare a materiei este cmpul magnetic.

Aparate de diagnostic bazate pe imagistica medical constituie n prezent o categorieimportant, poate cea mai important. Starea patologic implic modificarea structuriloranatomice, astfel nct posibilitatea de a obine imagini din interiorul organismului este foarteimportant pentru o diagnosticare precis. Imaginile pot fi obinute utiliznd raze X, cmpelectromagnetic sau ultrasunete. Investigaiile bazate pe imagistic presupun interogareaesuturilor i a organelor cu ajutorul unor fluxuri de energie, care, prin impactul cu materiainvestigat furnizeaz semnale diferite, n funcie de natura esutului, de adncime, de

proprietile fizice ale acestuia.

Metodele imagistice se pot clasifica n:

Invazive: angiografia, radiologia intervenional;

Nocivitate cert: radiologia digitizat-numerizat, metodele radioizotopice, computertomografia;

Nocivitate incert: rezonana magnetic nuclear, ecografia;

Este foarte greu de realizat o clasificare a aparatelor pentru diagnostic. Acestea pot ficlasificate dup mrimea care este msurat, dup forma de interogare a esuturilor (raze X,cmp magnetic, ultrasunete, etc.), dup gradul de nocivitate, dup forma de redare a informaiei.Indiferent de aspectele considerate, imagistica medical include diferite tehnici i ofer cele mai

concludente rezultate.

6


7/8

1.4. Imagistica medical

Medical Imaging reprezint orice metod, respectiv orice procedur de investigare n carediagnosticul este bazat pe obinerea i interpretarea imaginilor. n general, imagistica medicalinclude nu numai diagnosticul prin imagine, ci i microscopia, endoscopia, etc.

Imagistica medical cuprinde toate metodele de obinere a informaiei despre morfologia ifunciile organelor i esuturilor, cu ajutorul unor fluxuri de radiaii ce pot fi detectate, prelucrate,stocate printr-un sistem analog-digital i redate ulterior. Principalele metode de investigaie

bazate pe imagistic sunt: ultrasonografia (ecografia, metoda Doppler), radiologia digitizat,computer tomografia, rezonana magnetic nuclear, tomografia prin emisie monofotonici biofotonica, scintigrafia cu anticorpi monoclonali i endoscopia virtual.

Orice metod devine imagistic atunci cnd are:

surs de energie;

un sistem de detectare; un sistem de preluare-prelucrare analog-digital, stocare pe calculator sau microprocesor; un sistem de redare digital-analog.

Radiologia digitizat permite obinerea unei imagini radiologice asemntoare celei clasice, darcu o rezoluie mult crescut. Radiologia digitizat se realizeaz prin adugare-interpunere lareceptorul clasic a unui sistem de conversie analog-digital, care transform informaia n datenumerice. Acestea sunt transferate n memoria unui calculator unde sunt prelucrate n vedereacreterii valorii lor informative.

Computer tomografia este o metod extrem de valoroas datorit rezoluiei deosebite a

imaginilor pe care le ofer. Ea permite obinerea unor detalii anatomice i o evaluare a funciei icirculaiei. Din punct de vedere tehnic computer tomografia folosete o surs de radiaii X i unsistem detector, iar formarea imaginii presupune intervenia unui procesor care preia datele, lenregistreaz, le analizeaz i apoi construiete imaginea.

Rezonana magnetic nuclear este o metod care permite obinerea unor imagini de seciunemultiplanare, deosebit de precise i clare prin corpul uman. Principiul de formare a imaginii serealizeaz prin punerea n eviden a protonilor mobili din organism. Aceti protoni se afl

predominant n ap. Plasarea corpului ntr-un cmp magnetic artificial va determina aliniereacmpului magnetic al protonilor, paralel cu liniile cmpului magnetic extern.

Imaginea radiologic este elementul fundamental, purttor de informaii n imagistica medical.

Computer tomografia reprezint o metod de imagistic n care, cu ajutorul unui fascicol colimatde raze X, se produce imaginea unei seciuni plane din regiunea de interes. Pricipiul metodei se

bazeaz pe:

msurarea atenurii unui fascicol de raze X care strbat un corp i calculul coeficientului deabsorbie (densitatea);

reconstrucia imaginii din imaginile plane.

Computer tomografia este deci o investigaie densitometric, bazat pe desitatea anatomic a

structurilor strbtute de fascicol. Cele mai avansate tehnici CT sunt HRCT, Spiral CT i multislice. Tomografia de nalt rezoluie poate executa mai multe scanri ntr-un interval de timp

7


8/8

sczut, ceea ce se preteaz pentru investigarea aparatului cardio-vascular sau a pacienilor ne-cooperani. Tomografia spiral permite o scanare continu n timpul deplasrii mesei. Formareaimaginii este un proces care are loc n mai multe etape:

Scanarea cu fascicolul de raze X colimat;

Reconstrucia imaginii; Conversia imaginii ntr-o imagine vizibil (niveluri de gri).

Structurile esuturilor normale sau patologice sunt mai mult sau mai puin contrastante ca numratomic, densitate masic sau de protoni, impedan pentru a furniza semnale neuniforme,vectoare de informaii diagnostice semnificative.

1.5. Aparatura pentru terapie

Aparatura pentru terapie poate fi cu cureni electrici, n cmp electromagnetic i cu ultrasunete: Aparatura pentru electroterapie reprezint aparatele al cror principiu de funcionare se

bazeaz pe utilizarea curentului electric i a cmpului electromagnetic n scop terapeutic. Prinaplicarea, n condiii bine determinate, a curentului electric sau a unui cmp electromagneticdiferitelor esuturi se pot obine efectele terapeutice dorite.

Aparatura cu raze X se bazeaz pe efectul radiaiilor X asupra celulelor vii, fiind folosit nterapia antitumoral i antiinflamatorie. Problema cu care se confrunt terapia cu raze X estedelimitarea ct mai precis a zonei iradiate, n vederea limitrii iradierii pacientului.

Aparatura cu ultrasunete se bazeaz pe aciunea terapeutic a ultrasunetelor, care const nefecte mecanice i termice locale. Efectele mecanice constau n stimularea irigaiei sanguine,n creterea oxigenrii esuturilor, n apariia unor reacii neuromusculare.

Aparatura laserStimularea electrica functionala este o procedura utilizata in mod frecventpentru restabilirea controlului asupra muschilor fara inervatie

8

Capitol 1 Introducere Suport Curs

Documents

Transcript of Capitol 1 Introducere Suport Curs