Universidad Pública de Navarra



Año Académico: 2019/2020 | Otros años:  2018/2019  |  2017/2018  |  2016/2017 
Máster Universitario en Ingeniería Biomédica por la Universidad Pública de Navarra
Código: 73303 Asignatura: Instrumentación biomédica I. Sensores y dispositivos
Créditos: 4.5 Tipo: Obligatoria Curso: 1 Periodo: 1º S
Departamento: Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
Profesores
RODRIGUEZ FALCES, JAVIER (Resp)

Partes de este texto:

 

Módulo/Materia

Instrumentación Biomédica

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Descriptores

Ingeniería Biomédica,

Instrumentación Biomédica,

Equipos de instrumentación,

Sistemas de biomedicina,

Sensores biomédicos,

Dispositivos implantables

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Competencias genéricas

CG2 - Que los estudiantes sean capaces de leer y comprender textos técnicos y científicos.

CG3 - Que los estudiantes sean capaces de redactar trabajos o memorias técnicas.

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

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Competencias específicas

CE2 - Que los alumnos sean capaces de analizar y comparar tecnologías implicadas en el diagnóstico y terapéutica de patologías e insuficiencias

CE4 - Que los alumnos sean capaces de registrar y extraer información útil de señales biomédicas de distinta naturaleza (EMG, ECG, EEG, etc.)

CE8 - Que los estudiantes conozcan los principios físicos en que se basan las medidas de variables biológicas y que sepan identificar y analizar los procedimientos de medida utilizados en el diagnóstico de los principales sistemas del cuerpo humano

CE9 - Que los estudiantes sean capaces de analizar y comparar la funcionalidad clínica y las características básicas de los equipos de instrumentación que se encuentran habitualmente en un hospital

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Resultados aprendizaje

R1. Alcanzar un conocimiento elevado sobre la instrumentación en los
sistemas cardiovascular, respiratorio y nervioso, así como sus aplicaciones
en el entorno médico.

R2. Alcanzar un conocimiento elevado sobre los elementos que componen un
laboratorio clínico.

R3. Conocer y ser capaz de identificar las diferentes partes de un
biosensor.

R4. Saber utilizar los sistemas de medida, sensores en biomedicina, y
electrodos.

R5. Saber analizar la instrumentación que interviene en los sistemas
cardiovascular, respiratorio y nervioso.

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Metodología

ACTIVIDAD FORMATIVA HORAS PRESENCIALIDAD
A-1 Clases de aula 27 100
A-2 Prácticas de laboratorio 11 100
A-3 Realización de trabajos o proyectos 18 0
A-4 Asistencia a seminarios 2 100
A-5 Estudio y trabajo personal del estudiante 51 0
A-6 Asistencia a tutorías 1 100
A-7 Exámenes y pruebas de evaluación 2 100
A-8 Realización de ejercicios y problemas 1 0

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Relación actividades formativas-competencias

Competencia Actividad formativa
CG2 A-1, A-2, A-3, A-5
CG3 A-3, A-5, A-6
CB7 A-2, A-3, A-4, A-6; A-7, A-8
CB8 A-1, A-2, A-3, A-5; A-6, A-7, A-8
CB9 A-3
CB10 A-1, A-3, A-5,
CE2 A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-8
CE4 A-1, A-2, A-4, A-5, A-6, A-8
CE8 A-1, A-2, A-5, A-6
CE9 A-1, A-2, A-5

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Idiomas

Castellano

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Evaluación

Resultado de aprendizaje Sistema de evaluación Peso (%) Carácter recuperable
R1, R2, R3, R4, R5 Pruebas globales de evaluación de conocimiento (examen tipo test, examen final, etc.) 40%  Si
R1, R4, R5 Evaluación de prácticas (entrega de resultados, tests, etc.) 25%  Si
R4, R5 Trabajos finales (memorias, presentaciones orales, etc.) 35%  Si

 

El examen teórico consistirá en una prueba tipo test (varias opciones de respuesta) sobre las temáticas de la asignatura.

Se prevé la realización, por parte del alumnado, de un cuaderno de prácticas, consignando el trabajo realizado en cada una de ellas.

Se prevé la realización, por parte del alumnado, de un trabajo escrito relacionado con alguna de las propuestas indicadas en clase.

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Contenidos

Esta asignatura aborda la descripción de los sensores, principios físicos y
técnicas de instrumentación en que se basan las medidas de variables
biológicas, incluyendo los procedimientos de medida utilizados en los
principales sistemas del cuerpo humano (cardiovascular, respiratorio,
nervioso). La asignatura se ubica en el primer semestre del master y tiene
un carácter fundamental, constituyendo una parte esencial de la materia
¿Instrumentación Biomédica¿ (junto las asignaturas ¿Instrumentación
Biomédica II¿ y ¿Biosensores y Nanotecnología¿).

En el primer bloque se describen los aspectos fundamentales de los sistema
de medida y se continúa presentando los tipos fundamentales de sensores de
temperatura, posición y ópticos, así como los electrodos involucrados en la
detección de biopotenciales y electrodos bioquímicos. En el segundo bloque
se presentan los sensores y procedimientos de medida utilizados en los
sistema cardiovascular (mediciones de presión y de flujo de forma invasiva
y no invasiva), respiratorio (mediciones de volumen con espirometría y
pletismografía y de flujo con neumotacógrafos, así como medición de gases
en sangre arterial, saturación de oxígeno, etc), y nervioso (sistemas de
medida EMG y EEG, y métodos de filtrado y análisis de dicha señal, así como
los potenciales evocados). Finalmente, se describen las funciones del
laboratorio clínico (abordando el contaje celular, la cromatografía, la
espectrofotometría, y el espectrómetro de masas), así como los dispositivos
quirúrgicos y de endoscopia.

 

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Temario

1.- Introducción. Sistemas de medida. Seguridad eléctrica y normativa

Se define la instrumentación biomédica y se presenta el esquema básico del bioanálisis formado por el emisor (portadora), problema (modulación) y detección de la señal. Posteriormente, se describen los criterios de diseño de un sistema de medida (factores de señal, entorno, médicos y económicos) y se presentan sus tres componentes básicos (sensorización, acondicionamiento y aplicación). En cuanto a la seguridad eléctrica, se presenta un modelo físico de riesgo de electrocución, los efectos de la corriente en el cuerpo y las medidas de seguridad en equipos e instalaciones.

 

2.- Caracterización de sistemas de medida

Se caracteriza el sistema de medida atendiendo a su aplicabilidad, calidad de la medida, influencia ambiental, respuesta dinámica y duración prevista. Además, se introducen conceptos básicos de los sistemas de medida como la mecánica de fluidos, el sonido, el electromagnetismo, modelos de átomo y circuitos electrónicos.

 

3. Principios sensores en biomedicina

En el primer bloque, se describen en detalle los tipos fundamentales de sensores de temperatura, posición y ópticos enfatizando su aplicación clínica, sus ventajas e inconvenientes. En el segundo bloque se presentan los electrodos involucrados en la detección de biopotenciales y se explican su fundamento bioquímico, así como el modelado eléctrico, circuito equivalente y tipologías. Por último, se presentan los electrodos bioquímicos y sus tres tipos fundamentales (potenciométrico, amperométrico y conductométrico).

 

4.- Medidas en el sistema cardiovascular.

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

 

5.- Medidas en el sistema respiratorio

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

 

6.- Medidas en el sistema nervioso

Se explican las partes constituyentes del sistema nervioso central (las neuronas y su estructura, partes del cerebro, comunicación neuronal) y periférico (nervios motores y sensoriales, sistema autónomo y voluntario). Se detalla la generación de la señal electroencefalográfica (EEG), los ritmos cerebrales, sistemas de medida EEG, y métodos de filtrado y análisis de dicha señal, así como los potenciales evocados. También se explica la generación de la señal electromiográfica (EMG), los principales métodos de detección y electrodos utilizados, los problemas asociados a la interpretación de la señal EMG y sus aplicaciones más importantes.

 

7.- Laboratorio clínico, medidas químicas e histológicas

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

 

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

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

 

 

 

CONTENIDOS DE LAS PRACTICAS DE LABORATORIO

 

Práctica 1: ¿Adquisición de señales biomédicas por medio de una placa de instrumentación¿

Los objetivos son:

+ Construir/diseñar un amplificador de instrumentación simple que sirva como primera interfaz a los transductores médicos (nosotros utilizaremos el electrodo)

+ Construir/diseñar un filtro paso alto de segundo orden para demostrar la utilidad médica del acondicionamiento de la señal en la monitorización de la señal ECG

+ Que el estudiante sea capaz de analizar las características básicas del amplificador de instrumentación y entender su funcionalidad clínica.

+ Que el estudiante aprecie y comprenda los aspectos limitantes/problemáticos inherentes a los amplificadores: (1) rechazo al modo común; (2) impedancia de entrada y su relación con impedancia de salida de la piel; (3) polarización del electrodo; (4) fuentes de DC Offset; (5) fuentes de ruido e interferencia que se suman y distorsionan a la señal de interés.

Metodología:

+ Para el desarrollo de la práctica se requiere: (1) un amplificador de señales biomédicas (Biopac MP35); (2) software de adquisición, visualización y análisis de señales biomédicas (Biopac Student Lab, Acqknowledge); (3) placa de instrumentación que se utilizará como plataforma para montar nuestros circuitos (placa Breadboard SS39L); (4) amplificadores operacionales (LM324); (5) conectores varios (conector TCI22, conector SS39L, conector SS2L)

+ Los pasos a seguir por el estudiante son: (1) conexión del amplificador Biopac MP35 al ordenador; (2) montaje del circuito ¿amplificador de instrumentación¿ en la placa de instrumentación; (3) alimentación de la placa; (4) introducción de la señal biomédica (ECG) en la placa; (5) visualización de la señal de salida del circuito (señal ECG amplificada) en la aplicación Biopac Student Lab.

 

 

 

Práctica 2: ¿Adquisición y acondicionamiento de señales biomédica usando filtros¿

Los objetivos son:

+ Apreciar la importancia y utilidad del acondicionamiento de señal para procesar los biopotenciales

+ Testear y apreciar el efecto de diversos filtros/circuitos en la señal ECG

+ Implementar distintos configuraciones de filtros para acondicionar la señal a nuestra discreción

+ Implementar la configuración de filtros necesaria para extraer la frecuencia cardiaca

+ Que el estudiante sea capaz de analizar las señales biomédicas en los dominios temporal y frecuencial

Metodología:

+ El alumno trabaja sobre una plataforma que contiene diversos circuitos/filtros independientes, ya fabricados y montados, cada uno de ellos con una finalidad. Con el fin de poder interconectar los distintos circuitos entre sí, cada uno de los circuitos va a tener varios pines de entrada y varios de salida. Los circuitos se conectarán entre sí usando cables normales. De este modo, el alumno puede concatenar o agrupar varios filtros según se le pida, lo que le permite apreciar el efecto de las diferentes etapas en la señal biomédica.

+ El alumno debe seguir las pautas marcadas en el guión de prácticas para ir construyendo las diferentes configuraciones de circuitos. Para cada configuración, el alumno debe analizar y comentar/informar los cambios sufridos en la señal biomédica (tanto en el dominio temporal como en el dominio frecuencial) en el guión de prácticas.

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Bibliografía

Acceda a la bibliografía que su profesor ha solicitado a la Biblioteca.


Biomedical Instrumentation: technology and applications
R.S. Khandpur
McGraw Hill, New York, Madrid, 2005
Biomedical Transducers and Instruments
T. Togaza, T. Tamura and P.A. Oberg
CRC Press Science, 1997
Medical Instrumentation, application and design
Webster, Ed.
John Wiley & Sons, Inc. 1995
Introducción a la Bioingeniería
José Mompín Poblet
Ed. Marcombo, 1988

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Lugar de impartición

Aulario. A-303

Laboratorio de Señales y Sistemas

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