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Tecnologías de los 80: bioingeniería
Tecnologías de los 80 La Bioingeniería está abriendo nuevos campos de aplicación donde la tecnología de electrónica y comunicaciones juega un papel fundamental. La microelectrónica y la telemática podrán propiciar la extensión y protección de la salud a grandes sectores de la población. Escribe nuestro compañero JOSE lo MONTEAGUDO PEÑA, Adjunto del Servicio de Bioelectrónica del Departamento de Investigación del Centro Ramón y Cajal. En 1951, Godfrey Newbold H ounsfield, un ingeniero recién graduado, entra a trabajar en Electric and Musical Industries Ltd. (EMI), la misma empresa de los discos "la voz de su amo" que lanzará a los Beatles. Nadie hubiera podido imaginar entonces que veintiocho años más tarde, en 1979, recaería en su persona el Premio Novel en Fisiología y Medicina por el desarrollo de un aparato electrónico: el tomógrafo computarizado (scanner). Los caballeros suecos no demasiado afectos a dar medallas a ingenieros (sólo otros dos han recibido el galardón; Marconi en 1909 y Gabor en 1971), no dudaron en reconocer que "no es una exageración decir que ningún otro método de diagnóstico con rayos X haya conduciod en un período de tiempo tan corto a avances tan significativos en investigación y en una multitud de aplicaciones". En 1982, la Bioingeniería cobra un nuevo Nobel, esta vez en Química y de nuevo por un trabaje en tratamiento de imágenes: la reconstrucción de virus y macromoléculas a partir de micrografía electrón icas. La introducción de la tomografía computarizada (TC) produjo un profundo impacto en todas las ramas de las ciencias básicas y aplicadas pero muy especialmente en el diagnóstico médico. Se había demostrado el enorme poder del procesado digital y los algoritmos de reconstrucción de imágenes. A partir de este momento, se multiplicaron los desarrollos aplicando la tecnología electrónica para obtener imágenes cada vez más perfectas del interior del cuerpo humano. La resonancia nuclear magnética (RNM) fue observada por primera vez por Bloch y Purcell en 1946, y desde entonces ha sido uti I izada como método anal ítico de alta precisión para identificar la estructura y composición de complejos molecu lares. La posi b i I idad de obtener imágenes de la d"istribución espacial de señales RNM no se pudo demostrar hasta la década de los 70, aunque desde el principio era evidente su valor potencial en aplicaciones médicas. La RNM es un fenómeno mecánico-cuántico que presentan los núcleos atómicos con número impar de protones o neutrones, es decir, aquellos que poseen spin. Cuando se aplica un campo magnético estático se produce una interacción entre el momento magnético nuclear y el campo exterior que produce una alineación acompañada de una oscilación amortiguada. Esta oscilación resonante es el fenómeno de R NM. La frecuencia de precesión llamada de Larmor, es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético apl icado y es diferente para cada tipo de núcleo. En consecuencia, la señal RNM se puede sintonizar para cada elemento químico en particular. En las aplicaciones médicas se usan campos entre 0.05 y 2 Teslas lo que produce frecuencias de resonancia en la banda R F. Por ejemplo, en un campo de 1 T, el átomo de H resuena a 42.57 MHz y el Cal 0.71 MHz. Para obtener la señal de RNM se aplica un pulso de campo magnético de R F a la frecuencia de Larmor que perturba el átomo. La señal RNM generada se detecta como voltaje inducido en una bobina y se procesa para la generación de imágenes. Para obtener resolución en tres dimensiones se emplean secuencias de pulsos en gradiente según la dirección de los tres ejes cartesianos. Ai contrario de la tomografl"a compJtarizada de Rayos X y otros sistemas de imágenes, la RNM no necesita partes móviles o sensores sofisticados de detección: el equipo explora el cuerpo por la superposición de campos magnéticos controlados eléctricamente.. El componente crítico es el imán que genera el campo estático primario. En la actual idad existen dos alternativas: electroimanes resistivos o equipos de superconducción que son indispensables por encima de 0.2 T. Las pruebas cl ínicas demuestran con imágenes espectaculares (Continúa en la pago 51) Figura 1.- Estimulador eléctrico cerebral,mplantable. DESARROllO Radiología digital. Tomografla. rayos X (Scanner) Tomograffa ultrarápide cardiaca. Tomografía por trazadores de positrones. Imágenes en positrones de vida larga. Resonancia MagnéticII Nuclear (RMN). Ultrasonidos Tratamiento de Imá. genes y Reconocimiento de formas (GeneraD. Análisis imágenes en radioterapia. Medidas de .campos magnéticos en tej idos. Biosensores. Análisis automático de Proteinas. Diatermia D ispensadores de drogas. TABLA I APLICACIONES . Radiografía . Imágenes de cortes transversales por ra. yos X de cran80 y cuerpo entero. . Imágenes de cortes de corazbn .. instantáneos" . I nvestigacibn carclio. Ibgica. . Imágenes de cortes de cráneo y cuerpo ente. ro para el estudio metabólico por trazadores red ioactivos de v ida corta. . Medicina Nuclear . Diagnbstico . I nvestigacibn . Diagnbstico M6dico . Análisis Bioquímico en cortes de cua Iq u ier direccibn del cuerpo. . Imágenes trid imensionales. . Imágenes en tiempo real. . Reconstruccibn tridi. mensional. . Mejora de imágenes. . Análisis automático. . Ayuda de posicionamiento y dosimetría del paciente en ra. dioterapia. . Magnetocardiología . Magnetoencefalografía . Análisis iones en sangre. . Medidas parámetros. físicos. . Analítica clínica. . Terapia cáncer . Diabetes . Cáncer TECNOLOGIAS Rad iofotoluminiscencia Memorias de masas Análisis de imágenes. Med idas nucleares Med idas electrónicas Tratamiento de informacibn Tratamiento de imágenes Tecnologías nuclear, electrbnica. informática y mecánica. Idem scanner + tecnologíes ultrar6pidas. Idem scanner + tecnología nuclear de punta Detección nuclear. Tratam iento de IIÍ informacibn. Reconstrucción de imágenes. E lectrotécnie Criogenia Espectrometría RNM Métodos reconstruccibn de imágenes. Física de ultrasonidos Medidas electrónicas Transductores Tratamiento de señales Tratamiento informático Sistemas computador. Tratamiento de la señal Tecnología electrónica e infor. mática. Anatomía. Computadores. Detección nuclear de alta enero gía. Tratamiento de la informacibn. Mecánica. Deteccibn magnética SaUID. Tratamiento de la señal. Estado sólido CHEM-FET. Electroquímica. E lectroforesis. D igitalizacibn. Reconocimiento de formas. Radiofrecuencia Antenas Termometría Citología. Implantes Fuentes de energía M icroelectrónica Materiales biocompatibles Figura 2.- Unidades telem6tricas para experimentación animal. (Viene de pág. 47) como se puede diferenciar la materia gris de la blanca en el cerebro, detectar tumores, trombas sanglJ (neos, placas de esclerosis múltiple, hidrocefalia, estado óseo, e inflamación de órganos. La R NM además, presenta un avance cualitativo frente a las técnicas basadas en rayos X, ya que permite obtener imágenes de átomos específicos. Para las aplicaciones de análisis bioquímico in vivo, se usan típicamente las resonancias de h idrógeno, fósforo y carbono. El espectro de H se resuelve en dos picos que corresponden al agua y los I(pidos, y el del P revela la distribución de un gran número de metabolitos clave para la función vital. Con tal plétora de aplicaciones y la perspectiva de nuevas mejoras tecnológicas el futuro de la RNM en medicina aparece brillante. La técnica del diagnóstico por ultrasonidos ha progresado de forma significativa en muy pocos años como resultado del avance electrónico y del diseño de transductores acústicos. En la actualidad se utiliza profusa mente en la rut i r]a cI ín ica con gran eficacia y comodidad en casos como localización de defectos en las válvulas aórtica y mitra 1; defectos congén i tos de corazón; lesiones cirróticas y tumores en h(gado; detección de piedras en riñón o ves(cula; observación fetal, viabilidad y localización de placenta. Los equipos de ultrasonidos actuales descansan en la tecnología electrónica de circuitos integrados de uso convencional. La nueva generación que está emergiendo necesitar~ utilizar circuitos integrados desarrollados específicamente para aplicaciones médicas e incluirá fundamentalmente el desarrollo de: a) conmutadores multiplexados transmisión/recepción de alta corriente en DMOS; b) conjuntos de preamplificadores de alta precisión; c) líneas de retardo para enfoque y control de haz; d) arrays de trasductores integrados y e) circuitos integrados para procesado de señales Doppler. La Microelectrónica clave para las prótesis Una de las promesas más antiguas de la ingeniería biomédica fue el desarrollo de ténicas y dispositivos que pudieran de alguna forma restaurar la función del sistema nervioso afectado por algún daño. Los sistemas de visión artificial más avanzados utilizan la estimulación de la corteza visual del cerebro para producir fosfenos ("estreIlitas") que configuren patrones visuales. La prótesis desarrollada en la Universidad de Columbia, consiste en una matriz de Teflon conteniendo 64 electrodos de platino, conectados por cables que emergen de la cabeza a un conectar situado detrás de la oreja. Un computador genera la combinación adecuada de electrodos y estímulos de tal forma que permite a personas ciegas distingui,- patrones sencillos incluyendo letras y figuras. Los experimentos iniciales se han realizado con Figuras 3 y 4.- Imágenes radiográficas de fractura de tibia con pseudoartrosis antes y después de tratamiento con campos magnéticos pulsados. (Dept. Investigación y Traumatología. C.E. "Ramón y Cajal"). ordenadores externos, pero se están trabajando ya en la incorporación de microprocesadores y otros microcircuitos para disponer una cámara miniatura de TV colocada sobre una montura de gafas, que envía la señal a un sistema de microprocesadores, incluidos en los falsos cristales, que controlan 512 electrodos colocados sobre la corteza visual. No obstante en el mejor de los casos, se piensan consegu i r unas "imágenes" borrosas simples alejadas de la visión natural pero que permitan cierta autonom(a a una persona sin depender de ayuda externa. También se está avanzando en prótesis para sordos mediante implantes eléctricos. Los electrodos se disponen a intervalos adecuados sobre la cloquea en las posiciones que corresponden a distintos tonos de forma que se pueden crear son idos complejos mediante una combinación adecuada de estimulas. El uso de microprocesadores implantados perm ite el control del sistema. Menos espectaculares pero más cercanas al uso práctico se han producido varias ayudas a discapacitados sensoriales basándose en las técnicas de análisis y generación artificial de voz. de Necesidad estima que las personas afectadas por alguna incapacidad alcanza el 21 % de la población mientras que el 7% presenta una afección severa. La importancia social del problema es transcendente y sus implicaciones económicas notables. Si una persona discapacitada puede volver al trabajo requerirá menos dependenc ia en sus cu idados evitando los costos de asistencia social, cuidados médicos, farmacia y pensiones, convirtiéndose por el contrario en generador de cuotas para la Seguridad Social e impuestos (IRTP) para el Estado. En Estados Unidos se ha estillado que por cada dólar gastado 3n investigación para rehabilitación se reembolsan once para la sociedad. Los ingenieros tienen planteado un reto social para hacer efectivos dispositivos que perm itan faci Figura 5.- Sistema de monitorizaci6n de presi6n intracraneal con microprocesadores. (Premio Concurso Adamico. Lab. Electrónica Clínica Puerte de Hierro). litar la reinserción vital y activa de los discapacitados en su entorno familiar y laboral. En la Universidad del Estado de Wright, en Dayton (Ohio), se está utilizando un computador Apple para controlar un sistema de estimulación muscular que permite a pacientes atectados de parál isis ca minar y hasta montar en bicicleta. Ex isten otros muchos ejemplos de cómo la robótica y la tecnología de comunicaciones está encontrando aplicaciones en el campo de la rehabi I itacióh. La gran difusión de los computadores de uso personal va a hacer posible en breve plazo una nueva concepción en los usos de cuidado de la salud. Cada individuo podrá realizar chequeos diarios de sus parámetros fisiológicos más importantes, y cuando se produzcan desviaciones significativas respecto de los valores normales se editarán alarmas y recomendaciones sobre las acciones a proseguir. Una segunda generación podrá llamar a un médico o a una base de datos médicos au tomáticamente. Distintos módulos adicionales al computador personal podrán verificar el peso, la tensión, la temperatura, etc. Sería imposible recoger en estas I ínfimas la mu Ititud de nuevas aplicaciones que han aflorado en el campo biomédico de la mano de nuestra ingeniería. Los microprocesadores han potenciado numerosos desarrollos que afectan a la monitorización de variables fisiológicas, sistemas de anál isis cl ín icos, cu idados intensivos de anestesia y un largo etcétera. A pesar de los recelos de los sectores médicos más conservadores, el diagnóstico asistido por ordenador se impone como realidad a corto plazo. Los estud ios sobre los efectos celulares de los campos electromagnéticos están cristalizando en nuevas formas de terap ia. La d iaterm ia por radiofrecuencia y microondas presenta u n nuevo avance en el tratamiento del cáncer, y los sistemas de estimulación eléctrica del crecimiento óseo han demostrado su eficacia cl ínica en el tratamiento de pseudoartrosis salvando a no pocos pacientes de la amputación. La investigación de los campos magnéticos generados por el corazón y el cerebro ha dado lugar al nacimiento de la magnetocardiografía y magneto encefalografía como nuevas formas de ayuda al diagnóstico. La tecnología de estado sól ido está involucrada en la producción de sensores de todo tipo y como muestra de su potencialidad sirve de ejemplo la realización de un cromatógrafo de gases en una simple oblea de silicio de cinco centímetros de diámetro. Aunque hemos hecho una referencia exclusiva al mundo biomédico, cabe recordar que la Bioingeniería presenta facetas no menos interesantes en lo que se deviene en llamar Biotecnología. La bioelectrónica celular, los superconductores orgánicos y la" electrón ica molecu lar están llamando a la puerta. Incluso puede parecer que el control del crecimiento de microorganismos, la fecundación artificial o la ingeniería genética son campos muy alejados de nuestra profesión. Apenas hace cinco años también nosotros lo creíamos así y ahora estamos involucrados en alguna de estas cosas.
30 oct 2015