MERCADO MUNDIAL DE EQUIPOS DE DIAGNOSTICO POR !MAGENES 3.900 mi Ilones de dólares en 1983 RAYOS,X y RADIOGRAFIA DIGITAL 60% TECNOLOGIA Rayos X y Radiología Digital Tomografía axial Gomputerizada Resonan eia magnetiGa nudear NUGlear - Isó topos U Itrasonidos 1982 (en millones de dólares) 2.325 700 75 250 550 COSTO/UNIDAD Radi olog ía digital 500.000- T M$ 700.000-1, 2 M$ 1 M$ 150.000 - 500.000 $ 25.000 - 125.000 $ La ingeniería electrónica y la medicina o biología forman en el seno de la Bioingeniería un binomio íntimamente acoplado en el que es difícil separar ambos aspectos. Algunas de las líneas de desarrollo más fecu ndas en ambos terrenos se describen en este artículo. Mario Urea Holgado De los rayos x a las unidades centralizadas de diagnóstico por imágenes cos más completos que los puramente morfológicos, y toclo ello actuando por vía venosa frente a! riesgo de la intrlJ. ducción del contraste por vía 8rterial r;n pacientes en estado crítico, Los problemas de radiación que plantea la radiografía convencional, sobre todo a partir de la extells;ón generalizada de un modelo sanitario que facilita este tipo de diagnóstico, aumentando el número de aplicaciones durante la vida de un individuo, han dado lugar a otras técnicas. En el caso de la tomografía, la exploración se realiza mediante barridos con un haz lineal de Rayos X, que reco rre semicircularmente una "rodaja" del cuerpo, recogiendo med iante detectores el rayo atenuado. Ello plantea el problema de la reconstrucción de la imagell basada en estas Informaciones parciales. La tomografía, igual que la RMN, ha precisado una maduración de las técnicas de computación intensiva en tiempo real, que se resuelven actualmente mediallte la in trod u cc I Ó n d e "a rray-processors" (computadores especializados en operaciones vectoriales repetitivas). El proceso de exploración-reconstrucción duraba 8 minutos en los scanrler de la 18 generación frente a los 5-10 segundos de la J". Estas cifras se comparan favorablemente con los 30-40 minutos de la exploración mediante RMN, técnica cuyo período clínico no va más allá de 1980. Someramente, esta exploración se basa en la creación mediante imanes de un potente campo magnético (0.5-1.5 Teslas) que ordena la estructu ra Iluclear de la materia. La actuación de un campo magnético de RF sobre el órgano elegido y su supresión posterior permite un estudio dife rencial de la vuelta al reposo de los diferentes tejidos. A pesar de !a sofisticación y el costo de ambas tecnologías, puede afirmarse que ninguna de ellas va a sLlstitu ira las demás --n i siq u iera a I as más baratas, como los ultrasonidos-- en torlas las aplicaciones y que tampoco hall dado de sí todas sus posibilidades. Mientras la Tomograf(a ha tenido una utili78ción bastante contrastada en el diagnóstico de tumores cancerosos, se ha atendido menos a proporcionar información cuantitativa, midienrjo tamaños de órgarl()s y tumores, G sustituyemJo a cierto tipo de biopsias, por elemplo, para averiguar [,1 conten ido de hierro en el h igado, o de minerales en la espilla dorsal, lo que previamente requería la invasión del órgano. El método de barridos a dos ellergías distintas parece ofrecer una información muy Útil a este respecto. Otros desarrolos previsibles SOll la mejora de la definición mediallte colimación de los haces y la disminución de: tiempo de exploracio"" tiempos de 1 segundo no bastarl para ciertas aplicaciones y crean además problemas debido () los movimientos del paciente. Estáll en desarrollo scallners de rayo de electrones, sip partes móviles. El tiempo de exploraclóll estará en tomo a 50 mseg. En el caso de la RMN, el problema de los largu ísi mos tiem pos de exp I oración (30 minutos) crea frecuentemellte en los "pacientes" y, sumado a otros, p rop o rci ona una resol u ci espacial menor que la tomograf(a, mayor luido, aun cuando ofrece Ulla mejor de la discrilnlnación por COlltraste entre tejidos, lo que más precisa éstos, E I desarrollo de medios cle contras te paramaglléticos potenclmá de seguro este tipo de sistemas de los que, hasta el momento, no se conocen cOlltrailld Icaciones, aÚll cualldo tampoco puedel: excl ui rse. En el proceso de especialiración de los sistemas de diagnóstico por imagen, a los ultrasonidos les ha tocado el papel cle no ínvasivos, baratos, portátiles y, además, insustituibles en ciertas aplicaciones. La Ecografía se basa ell las técnicas de sonar, mediarlte la aplicaciórl de pulsos acÚsticos de baja Intensidad, que se propagan dpntro del cuerpo erl forma de favo estrecho. Los ecos originados por la estructura de tejidos se detectan median te el mismo transductor de excitación y se muestrall ell forma similar al radar para indicar las situaciones de las estructuras refleUantes. Puede generarse la irna gen de un plano corporal, moviendo marlU almerlte el trallsd u ctor a lo la rg o de la superflcip del cuerpo, Sin embargo, tamIJién presentan problernas, que harl provocad: mientras que pueden proporcionar alguna información resprcto a la caracterIZación de tejidos, como fluidos o sólidos, tejidos flbrosos, sangre, grasa,... no proporcioilan ningurla información útil referente a los pulmones y huesos, no hay agentes de contraste ultrasónico disponibles y, aunque existen sistemas automatizados, la mayoría depellden de la habilidad del operador, ofreciendo una resolución espacial relativamente pobre si se compara con la tomografía, la radiografía convenci 011 al y d ig i tal, Sin em bargo las capacidades reseñadas permitirán su presencia en los quirótanos para ciertas aplicaciones, con ausencia total de radiaciones lonizantes o fuertes campos magnéticos cuyo efecto, en el caso de la RMN, se desconoce. La posibilidad de extender los benefiCIOS de léJ vigilancia de los enfermos card íacos merJimlte electrocardiogramas al resto de los ellferrnos agudos, ha provocado la aparición er. los hospitales de una filosofía rlueva orientada a la medición contillua de variables fisiológicas, su procesamiento lTlediante modelos preestablecid os y la apl icaci ón de acci ones correctoras destilladas al mantenimiento de las funciollPs vitales, Esta filosofía de "monitorización" se ha materialilado en la Ullidades dp. Vigilancia Intensiva, de Cuidados Intensivos y de Cuidados Coronarios, denominaciones que refleían aplicaciones distintas del concepto de monitori/aciól1 intensiva, que por otra parte no se limita a un conjunto de instrumental si no más b i p,n a la inte racci ón de los equipos con el personal sanitario. Los avallces de la monitoriracióll se hall centrado estos (1 Itirnos aíios en la instrumentaclúll, sobre todo ell el tratalTlierdo irlformático, mientras que se ha avanzado poco en nuevas lTledidas continuad2s, por la dificultad técnica implícita, y en las acciones correctoras, por el poco conocimiento que se tiene de las furlciolles fisiológicas y dp los complicados mecanismos de regulación sobre los que debería intervellir. No es preciso re Sistema de monitorización de arritmias CONTROL DISPLAY CIRUJANO INTERFAZ OSCI LOSCOP I o 12 CANALES BUS DE DIRECCIONES CONSOLA PLOITER MPRESORA CONTRO L FLOPPY DISK DISPLAY GRAFICO El proceso de arritmias en tiempo real realiza básicamente un análisis del ritmo y la morfoloqía de las señales, cálcl los que no suelen ser muy exigentes al tratarse de señales de baja frecuencia, por lo que podría realizarse todo el procesamiento en cabecera. saltar la popularidad de las técnicas que trabajan sobre el corazón, desde el ECG convencional hasta las cartografías a corazón abierto como apoyo a la cirugía de arritmias, pero sí la creciente extensión hacia otros parámetros, como es el caso de la monitorización de la Presión Intracraneal en los estados postoperatorios de neurocirugía, técnica que se trata posteriormente. Las arritmias card íacas tienen que ver con anomal ías del sistema de conducción eléctrica del corazón, lo que ocasiona fallos en la dinámica de un músculo fundamentalmente sano. A pesar de la antiguedad de la técnica, está demostrado que el Electrocardiograma convencional de 12 derivaciones es el mejor sistema para detección de arritmias. No obstante se han desarrollado otras técnicas, ya periféricas, ya operando sobre la superficie del corazón, que tienen de hecho utilidad en ciertos tipos de arritmias y su tratamiento quirúrgico. Entre las técnicas periféricas se utili za la monitorización continua de ECG mediante su almacenamiento en cinta magnética (técnica Holteri. La posibilidad de grabar unas 24 horas continuadas de señal ECG y su análisis por ordenador de forma acelerada -unas 60 ó 120 veces más rápido- aun con limitaciones en la complejidad de los cálculos, permiten la detección de arritmias enmascaradas que pasarían desapercibidas en exploraciones convencí anales. La Electr ocardi ografía dinámíca monitoriza al sujeto durante un test de esfuerzo, estudiando el comportamiento cardíaco en circunstancias más realistas que en el reposo convencional, aunque el movimiento plantea problemas de interferencia de las señales electromiográficas musculares. La solución estará en incluir p rep rocesam ien tos de la señal mediante filtrado digital yen mejorar la relación señal/ruido en el punto de la toma. Otra técnica periférica en la toma de señales es el "mapping" (cartografía) periférico, consistente en registrar mediante un número elevado de electrodos torácicos (unos 100) la actividad eléctrica. No ha abandonado aún la fase experimental ni en lo referente a la situación de electrodos ni en la interpretación de los resu I tad os. En aplicaciones quirúrgicas o de monitorización clínica continuada en UCC (Unidades Cuidados Coronarías) a veces se utilizan técnicas invasivas de análisis, llegando a la medida de señales sobre la superficie exterior del corazón mediante electrod os insertados en el pech o, o sobre la superficie interior, mediante catéteres por vían intravenosa. La información extra íble de estos "mapping" puede combinarse con estimulaciones eléctricas para un estudio detallado, de los mecanismos de conducción del corazón. En la atención a pacientes críticos cardiológicos se ha desarrollado una subespecialidad de Cuidados Intensivos, las UCC, dedicadas a la vigilancia de los parámetros relacionados fundamentalmente con la actividad cardíaca, para su control dentro de cierto de ma rgen de segu ri dad. Los parámetros a monitorizar serán los hemodinámicos y bioeléctricos, aun cuando existen dos líneas de monitorización con filosofías opuestas respecto al carácter invasivo o no. Una línea muy extendida favorece una toma intensiva de parámetros que no se limita a la monitorización de arritmias sino que pretende una m oni torizaci ón al tamente red undante V no mediatizada, muy fiable, por tanto, frente a cambios bruscos erl el estado del paciente, como en el caso del shock cardiogénico. Los parámetros monitorizados suelen ser EC G, arritm ias, presión arterial -medida muy invasiva y difícil de hacer conti nuadam ellte de fa rma fi ab le-, p resión venosa central, gasto card íaco (caudal), gases en sangre mediante toma de muestras; esta línea no excluye la utilización de asistencias eléctricas estimuladoras (normalmente marcapasos externos, no implantables), asistencias mecánicas al corazón (balón hinchable) V mecanismos de "resucitación" (electrochoques defibriladores). Existe otra línea tendente a reservar las intervenciones invasivas a los casos imprescindibles, limitándose a monitorizar ECG, parámetros sobre arritmias y tomando otros parámetros por medios no agresivos. De este modo se están desarrollando métodos no invasivos para la medida no continua de la presión arterial, del gasto card íaco (mediante métodos Doppler y de impedancias) y de gases en la sangre. De tal conjunto de parámetros, la parte más genuinamente coronaria es la monitorización de arritmias. En la UCC el paciente tiene visualizado permanentemente su EC G en pantalla. Este tipo de pacientes es muy propenso a presentar anomal ías en el sistema de conducción eléctrica intracardíaco, anomalías que se presentan de modo intermitente y muy en mascarada. La in te rvención necesaria del médico durante largos períodos para el análisis y la interpretación de las arritmias en casos que pueden presentarlas en cualquier momento ha tratado de reducirse mediante el desarrollo de sistemas automáticos de monitorización que, ya sea por métodos de clasificación supervisada por el propio médico, que define un comportamiento normal, ya por el aprendizaje de la propia máquina, permitan la detección de circunstancias sospechosas reclamando la presencia en cabecera del médico. Si bien los algoritmos de clasificación están m uv desarrollad os, las I i m i taciones de estos sistemas han llevado a un escepticismo bastante generalizado sobre su utilidad. La aparición de "artefac tos" (señales sospechosas pero irrelevantes producto de interferencias, movimientos del paciente, aplicación defectuosa de los electrodos,) produce falsas alarmas en al UCC, por lo que es un hecho casi general la desconexión de esta parte de los sistemas de monitorización. Sin embargo, una mejora en la sistemática de trabajo permitiría aumentar la fidbilidad de los sistemas, cuyo esquema típico se muestra en la Figura 3. Aun cuando la monitorización de arritmias se encuentra en cierto modo estancada por las causas señaladas, los desarrollos previsibles podrían afectar al diálogo interactivo entre la unidad de cabecera y la central, intercambiando datos de evolución en el momento de la explo ración e historiales cl ínicos, e interrelacionando parámetros; y la introducción de la telemetría, desligando al paciente de la sujeción a una unidad de cabecera, al mfmos en los casos de unidades de cuidad os intermedi os. El proceso de arritmias en tiempo real realiza básicamente un análisis del ritmo y la morfología de las señales, cálculos que no suelen ser muy exigentes al tratarse de señales de baja frecuencia, por lo que podría realizarse todo el procesam ien to en cabecera, Un problema bastante común a los procesos graves en neurocirugía es el de la inflamación de la masa encefálica dentro de la cavidad rígida craneal, fenómeno que aparece en postoperatorios, hemorragias o, simplemente, por traumatismo. El aumento del volumen de la masa cerebral origina un conflicto que se refleja en un aumento de la PIC. La medida de la PI C es un valioso índice de la situación de los mecanismos reguladores naturales del cerebro para compensar los edemas. A partir de un determinado punto, los sistem as h omeostáti cos fa Ilan y pe PRESION ARTERIAL Sistema de Monitorizaci6n de PIC (Lab. Electr6nica de Puerta de Hierro) Premio ADAMICRO 1984. queños aumentos de volumen se traducen en aumentos cada vez más serios de la PIC, llegando hasta lesiones fatales del tronco cerebral. La posibilidad de intervenir mediante medicación adecuada ha señalado la necesidad de desarrollar sistemas de monitorizaclbn continua de la PIC. El papel de la tecnología, además del desarrollo de los sensores de PIC, ha sido el permitir el estudio cualitativo y" cuantitativo de las curvas PIC volumen cerebral, en la línea de caracterizar los ea mportam ien tos pato lógicos de las ondas de presión. Un primer paso, implementado en fo rm a de sistema de ad quisici ón de PI C basado en microprocesador por el Laboratorio de Electrónica del Servicio de Cirugra Experimental de Puerta de Hierro (ver Fig. 4), entre otros, es la caracterización individualizada para cada enfermo del punto crítico en que la relación PIC volumen comienza a tener un crecimiento exponencial. De la monitorización continuada mediante histogramas de presi ón pueden ex traerse med idas más afinadas de acuerdo con la patología de cada enfermo. El siguiente paso consistirá en el estudio de la morfología de la onda"PIC en dirección a identificar automáticamente las patologías, reduciendo al máximo el carácter invasivo de las técnicas alternativas (biopsias, medidas de flujo sangu íneo con isótopos...) y en relacionar la dinámica cerebral con la actividad bioeléctrica, Los sistemas de control de prótesis mecánicas mediante señales nerviosas (elec tromi ográfi cas) o la estim ulación eléctrica neurológica son campos que, por el limitado conocimiento disponible sobre la fisiolog ía del sistema nervioso, están en proceso experimental, generalmente en laboratorios de investigación, aunque han dado lugar a aplicaciones reseñables, algunas en nuestro país. La estimulación neurológica se refiere al suministro de información procedente del exterior a los procesos cerebrales (es el caso de las prótesis visu ales o auditivas) V al mantenimiento de funcioI nes críticas para la supervivencia del cerebro (prótesis respiratorias, etc.). Además se ha utili.zado la estimulación neurológica para intervenir en situaciones anómalas del sistema motor, tal como en la restauración de la funcionalidad de extremidades en caso de lesiones en centros superiores. En este último campo se trata de inducir contracciones en músculos mediante la excitación cutánea, subcutánea o directa de un nervio periférico con una corriente eléctrica pulsada. El principio básico, común a todas las aplicaciones, es la escitabilidad eléctrica de los tejidos nerviosos. Las señales neuronales creadas artifi ci almente actúan ex actamente igual a las naturales, por lo que la repetición de los pulsos excitadores según un determinado patrón puede cambiar el comportamiento o las propiedades de las funciones corporales controladas por el nervio. Los sistemas desarrollados hasta la fecha son del tipo de lazo abierto (sin realimentación respecto a la posición obtenida después de la excitación) con controladores de un sólo grado de libertad. La siguiente generación de sistemas incorporará realimentación en circuito cerrado de fuerza y posición, control simultáneo de varios músculos e inhibición recíproca de músculos antagonistas. Además está planteada la necesidad de introducir algún control, visual o de otro tipo, por parte de individuo afectado. Con respecto a las prótesis sensoriales, frente a los intentos de aplicar matrices de excitación en la corteza visual que permi ten "ver" un determ inado número de puntos luminosos (fosfenos) por inviderrtes totales, tal vez destaca com o experiencia más lograda la recuperación de cierta capacidad suditiva en personas con desórdenes en el oído interno, a través de prótesis cocleares (ver Fig. 5). El tratamiento de cientos de miles de personas con problemas de carácter crónico del tip"o de la diabetes o de las que exigen la aplicación continuada de drogas terapéuticas o analgésicas, como las cardíacas y el cáncer, ha planteado la necesidad de desarro llar mecanismos biomédicos com o las bom bas d ispensadoras de drogas que disminuyen la dependencia del paciente respecto a las estructuras hospitalarias. Sin embargo, la atención que durante los últimos tres años han recibido estos dispositivos no se limita a la movilidad que posibilitan a través de su carácter portátil o implantable, sino que permiten tratamientos inaccesibles con otros medios. Es el caso de anomalías ovulatorias en la mujer por causas hormonales, de enfermedades tromboembó-. licas crónicas O de la quimioterapia del cáncer; en este último caso pueden aplicarse con el nuevo sistem a dosis de d rogas 200 veces mayores que la que pueden aplicarse en régimen sistemático de inyección intravenosa en un ambulatorio. Es el caso también de la aplicación de morfina en el control de dolores crónicos o, en el futuro, la aplicación de vasodilatadores en hipertensos. Pero elmayor número de afectados por los nuevos sistemas implantables lo compone el de los diabéticos y su dependencia de inyecciones frecuentes de insulina. La posibilidad de reducir virtualmente a cero el número de aplicaciones de insulina ha estimulado un importante trabajo investigador, en la industria y fuera de ella, para la resolución de los problemas planteados, que no son precisa o exclusivamente de carácter tecnológico. La utilización de biomateriales implantables de forma subcutánea, la circuitería electrónica capaz de suministrar el flujo de insulina de forma fiable y con una gran au ton om ía de uso, son cuestiones bastante maduras tecnológicamente. No ocurre lo mismo con la definición del perfilo tasa a suministrar. Si se pretende sustituir un órgano O función orgánica, que son sistemas dinámicos, no es realista suministrar una tasa constante, hecho que puede trastornar el metabol ismo del afectad o. Los prob lemas por delante de los dispensadores de drogas son, fundamentalmente, la capacidad de programación de la tasa de suministro a lo largo del tiempo, modificable desde el exterior y, lo que es más importante, la incorporación en el propio aparato implantado de un cierto nivel de inteligencia, capaz de modificar su actividad a partir de ciertas informaciones recogidas sobre el nivel de glucosa en sangre, por ejemplo. En el futuro, aparentemente no muy cercano, se espera conseguir algún medid or de niveles de glucosa en sangre con En la audici ón no rmal las señales acústicas se transfo rm an en señales nerviosas por u n ti po de cél u las ex istentes en la coclea. Cuando estas células son destruidas, el oído interno no funciona. El desarrollo de un sistema microelectrónico transductor-excitador (verfigura) puede sustituir hasta cierto punto (la comprensión del habla/la actividad de la coclea. TRANSMISOR EXTERNO, GENERADOR DE PULSOS y UNIDAD DE ALlMENTACION RECEPTOR INTERNO CIRCUITO INTEGRADO DECODIFICADQR y ESTIMU LADDR Desarrollado en la Katholieke Universiteit, Leuven (Bélgica). El CI "implantado en la base de la coclea utiliza electrodos para estimular directamente los nervios auditivos y elimina el ordenador externo que se ha utilizado en otros enfoques. Los pulsos correspondientes a la señas audible y la alimentación se transmiten a través de la piel por enlace inductivo, evitando infecciones. El problema de los materiales y su relación con los tejidos orgánicos está presente en cualquier faceta de la bioingeniería. capacidad y volumen adecuado y, asistido por un ordenador, entregar el perfíl de insulina óptimo, a modo de páncreas artificial. A falta de este tipo de sensores se trabaja -en nuestro país la Cátedra de Bioingeniería de la ETSITM con el Centro Ramón y Cajal- en un sistema computerizad o y po rtáti I que, a partir de otras variables relacionadas con los mecanismos de control de glucosa e individualizado a cada paciente, proporcione predicciones del nivel de glucosa y un control de sus hábitos y tasas de administración de insulina, con la que obtener unos perfiles de glucosa lo más fisiológicos posibles. En la confecc i ón de este trabajo colaboraron amablemente vía transferencia de información el Dr. García de Sola (Servicio de Neurocirugía del Puerta de Hierro/, José Ignacio Calero (SI EM ENS), Joaqu(n San Juan (ICUATRO) y nuestros compañeros José Luis Monteagudo, Ca rl os Hernánd ez, Fernand o San z, Ben ito Rey y Juan Carlos Castros(n. Los posibles errores en cualquier caso son responsabilidad absoluta del escribidor.
