MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 2009 ISSN: ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA. Compiladores

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2 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA Compiladores NATHALIA VÉLEZ LÓPEZ DE MESA Directora de investigación SANDRA CRISTINA ARIAS SALDARRIAGA Coordinadora de Investigación JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Año, número Editor: Escuela de Ingeniería de Antioquia Periodicidad: Anual Envigado, octubre de 009

3 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Contenido SE CAERÁ SU EDIFICIO CON UN TERREMOTO?... 5 Pablo Emmanuel Escobar Chavarriaga, Tiana Alexandra RosaníaAltahona, Sergio Andrés Baza Suárez, Carlos Andrés Blandón Uribe, María del Pilar Duque Uribe SEÑALES ELÉCTRICAS DEL DIAFRAGMA. PODEMOS USARLAS PARA SALVAR VIDAS? José Mauricio Ochoa Escobar, Juan Sebastián Osorio Valencia, Róbinson Alberto Torres Villa PÁRAMOS, FÁBRICAS NATURALES DE AGUA BAJO CONDICIONES CLIMÁTICAS CAMBIANTES... 3 Carlos Daniel Ruiz Carrascal, María del Pilar Arroyave Maya, María Elena Gutiérrez Lagoueyte, Paula Andrea Zapata Jaramillo CORDONES UMBILICALES QUE TEJEN MATRICES Y SOPORTAN CÉLULAS Diana Isabel Martínez Tobón, Juliana Valencia Serna, Diego Alejandro Velásquez Puerta, Carolina Londoño Peláez, Natalia María Zapata Linares, Catalina Pineda Molina SIMULADOR DE TERREMOTOS A ESCALA REDUCIDA Carlos Andrés Blandón Uribe, Juan Camilo Valencia Estrada, Maria del Pilar Duque Uribe CORDONES UMBILICALES HUMANOS: DESECHO O VIDA? Sara María López Álvarez, Catalina Pineda Molina, Carolina Londoño Peláez, Natalia María Zapata Linares, Jorge Andrés Jaramillo García QUÉ DEBE MEJORARSE EN LOS DATOS DE LA INFORMACIÓN BÁSICA PARA LA EVALUACIÓN DE CORRIENTES URBANAS Juan Fernando Barros Martínez, Luz Eliana Vallejo Giraldo PUEDE EL ALGINATO CONVERTIR UNA CÉLULA MADRE EN UNA CÉLULA DE CARTÍLAGO? Natalia Zapata Linares, Catalina Pineda Molina, Carolina Londoño Peláez 3

4 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: EL MUSEO DE CIENCIAS COMO UN CAMINO PARA EL CAMBIO SOCIAL Juan Fernando Barros Martínez DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CONTROLADOR DE MOVIMIENTOS DE ROBOT MÓVIL Mauricio Arias Correa, Camilo Cortés Acosta, Andrés Mármol Vélez LA TELEPSIQUIATRÍA Y EL USO DE ESTÁNDARES DE INFORMACIÓN Marco Antonio López Ibarra, Carlos Germán Ruiz Ibañez, Marta Silvia Tabares Betancur TRIGONOMETRÍA ELÍPTICA PARA SU USO EN INGENIERIA Juan Camilo Valencia Estrada, Álvaro Hernán Bedoya Calle LOS PROCESOS; PUEDEN SER BASE DE LA CONFIGURACIÓN ORGANIZACIONAL DE LAS EMPRESAS? 93 Hernán Darío Cortés Pérez LA INJERENCIA DE LOS PROCESOS DEL NEGOCIO EN EL PROCESO DE DESARROLLO DE SOFTWARE.10 Marta Silvia Tabares Betancur, Christian Lochmüller UNA PROPUESTA INFORMÁTICA PARA SOPORTAR LA TELEPSIQUÍATRÍA EN COLOMBIA Marta S. Tabares Betancur, Lucas Hernandez Saldarriaga, Carlos Germán Ruiz Ibañez EL USO DE LAS TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN Y TELECOMUNICACIÓN EN LA GESTIÓN POR PROCESOS Marta S. Tabares Betancur, Christian Lochmüller IDEAS GRANDES PARA UN MUNDO DIMINUTO: PUNTOS CUÁNTICOS DE GaAs-(Ga,Al)As Walter. Ospina Muñoz, Eugenio. Giraldo Tobón, Ricardo León Restrepo Arango, Guillermo León. Miranda Pedraza, Carlos. Alberto Duque Echeverri OBTENCIÓN DE IMÁGENES PANORÁMICAS A PARTIR DE SISTEMA CÁMARA-ESPEJO...14 Mauricio Arias Correa 4

5 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: SE CAERÁ SU EDIFICIO CON UN TERREMOTO? Pablo Emmanuel Escobar Chavarriaga 1, Tiana Alexandra RosaníaAltahona 1, Sergio Andrés Baza Suárez 1, Carlos Andrés Blandón Uribe, María del Pilar Duque Uribe Semillero de investigación en Estructuras de la Escuela de Ingeniería de Antioquia. 1 Estudiantes de ingeniería civil, profesores e investigadores de tiempo completo de la EIA Escuela de Ingeniería de Antioquia, Alto de las Palmas, variante al aeropuerto José María Córdova, km +00, Medellín Resumen: se presentan las lecciones del segundo concurso de estructuras sismorresistentes. Se hace un recuento sobre las características que influyen en la respuesta dinámica de una estructura. Se presenta el estudio del planteamiento de las especificaciones del concurso, y de la calibración de las ecuaciones de calificación. Se hace un análisis de las características estructurales de los modelos presentados, evaluándolos desde el conocimiento del comportamiento dinámico de edificaciones, y se muestra su relación con el comportamiento que tuvieron durante el ensayo. Se concluye sobre el comportamiento estructural de los modelos y se plantean recomendaciones para el diseño de estructuras sismorresistentes. Palabras clave: concursos estructuras, estructuras sismorresistentes, ensayos dinámicos. Enfrentando a la naturaleza 1. INTRODUCCIÓN Los sismos son fenómenos fascinantes de estudio obligado no sólo por lo impredecible de su ocurrencia, sino por la destrucción que causan en las edificaciones y en la infraestructura causando muertes y grandes pérdidas económicas. Una forma de mitigar el impacto es diseñar las estructuras sismorresistentes, adecuadas para soportar el sismo que se espera ocurra en un período de tiempo determinado. La importancia del diseño sísmico de estructuras y la complejidad del tema al considerar efectos dinámicos, llevó a replantear el enfoque del concurso de estructuras; pasar del planteamiento de un modelo que se ensaya a cargas estáticas, como fue el concurso de puentes versiones 00 a 007, a un enfoque de prueba dinámico de torres sismorresistentes. En el primer semestre de 008 nace el primer concurso de estructuras sismorresistentes de la EIA y un año después se lleva a cabo la segunda versión, en la que se cuenta con la participación de estudiantes de la EIA, de colegios y de otras universidades, consiguiendo un avance importante y más realista en el sistema de 5

6 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: calificación de las torres y en el aparato de ensayo de las mismas. El concurso de estructuras sismorresistentes tiene como objetivo preparar a los futuros ingenieros civiles en el área de la dinámica de estructuras, mediante la observación del comportamiento de los diversos sistemas estructurales presentados ante distintas clases de excitaciones producidas por un sistema de simulación de terremotos (mesa vibratoria). Se buscó que los estudiantes presentarán estructuras en balso del menor peso posible, que fueran capaces de resistir las aceleraciones impuestas por la máquina sin la falla de ninguno de sus miembros y con los menores desplazamientos.. CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES Y GEOMÉTRICAS QUE INFLUYEN EN LA RESPUESTA SÍSMICA DE UNA EDIFICACIÓN. Cuando se diseña sísmicamente una estructura se controlan, además de la estabilidad, condición esencial, la rigidez, resistencia y ductilidad. Rigidez1 La rigidez, (k), es la capacidad de un elemento sólido, elemento estructural o sistema estructural a no dejarse deformar ante la acción de una fuerza. Se calcula como la razón entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido en la misma dirección de la fuerza (1), basado en la relación de desplazamiento-fuerza en un resorte elástico: Fi k = i (1) a mayor rigidez, menor deformación ante una misma fuerza. En una edificación, la rigidez lateral es la que asocia las deformaciones laterales del sistema con las fuerzas sísmicas. La rigidez lateral depende del tipo de sistema estructural (muros, pórticos o pórticos arriostrados), de la configuración geométrica de la edificación, de los tipos de apoyo, los tipos de conexión entre los 1 Comité organizador concurso de estructuras 008- I. Lecciones del primer concurso de estructuras sismorresistentes. elementos y la rigidez propia de los elementos, que a su vez está determinada por la sección transversal, la inercia, la longitud y el material, representado por el módulo de elasticidad o módulo de Young. Los desplazamientos o deformaciones del sistema estructural afectan tanto a la misma estructura como a los elementos adosados a ésta produciendo agrietamiento, rompimiento, daño y posible colapso. En el diseño sismorresistente se controla el desplazamiento relativo entre pisos del edificio (deriva) y el desplazamiento total lateral del nivel de azotea, con un límite máximo establecido en las normas de diseño y construcción sismorresistente. El límite depende del tipo de sistema estructural (rigidez) y de los elementos no estructurales. En caso de una solicitación sísmica de la estructura, la rigidez general podría verse afectada conforme empiezan a acumularse daños permanentes en los componentes estructurales. Resistencia La resistencia se define como la capacidad de una estructura de soportar cargas sin colapsar o romperse. Es la fuerza que puede tomar la estructura para llegar a cierto nivel de deformación, es decir, la resistencia se relaciona con la integridad que debe tener la estructura en cada una de sus partes al soportar ciertos niveles de carga, sin llegar a la falla. La resistencia depende de la estabilidad general de la estructura, del grado de indeterminación y de las propiedades de los materiales que la constituyen. Mientras la rigidez asocia el comportamiento de la estructura con las deformaciones, la resistencia tiene que ver con las fuerzas. Ductilidad La ductilidad es aquella propiedad que tienen los materiales para dejarse reducir a hilos. En estructuras indica que tanto puede incursionar la estructura en el rango plástico, sin llegar a fallar. Pero, qué hace que esta característica sea importante en el diseño sismorresistente? Como en un resorte elástico, cuando se aplica una carga este se deforma acumulando energía potencial de deformación. Al liberar el resorte de la fuerza, regresa a su estado original convirtiendo la energía acumulada en energía cinética y otra vez se 6

7 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: deforma en el sentido contrario, convirtiendo la energía cinética en energía potencial. El proceso de ir y volver es la oscilación propia del sistema. Comparado con un edificio, un sismo causa una excitación externa al sistema, este acumula energía potencial que después convierte en energía cinética, provocando ciclos de vibración. Si no se disipa energía el edificio podría oscilar durante un largo tiempo hasta que se produzca falla por fatiga. Una forma de disipar energía es hacer que la estructura incursione en el rango inelástico, que ocurran deformaciones permanentes en ella, pero que siga soportando la misma carga para grandes deformaciones. Al diseñar la estructura para que ante un sismo dado entre en el rango inelástico, o lo que es equivalente a que tenga un menor límite de fluencia, se economiza en materiales. De ahí que para una estructura con un alto grado de ductilidad, se permite una menor resistencia y se disipa energía por la deformación permanente en la estructura (daño), pero sin poner en peligro su estabilidad. La ductilidad del sistema depende de la hiperestaticidad de la estructura, de la ductilidad de los materiales y de la posibilidad de formación de rótulas plásticas. Se evalúa utilizando el factor de ductilidad, denotado con la letra griega µ, definido como el cociente entre la deformación alcanzada en la falla y la deformación encontrada en el límite elástico (). µ En el diseño sísmico es de vital importancia tener una estructura dúctil puesto que mostrará deformaciones grandes antes de llegar a la falla, dando aviso antes de que colapse. Este comportamiento es preferible al frágil, bajo el cual la estructura colapsa súbitamente. De manera que, para asegurar un comportamiento dúctil, el ingeniero estructural debe colocar especial cuidado en los detalles de refuerzo, cuantía de refuerzo longitudinal, anclaje del refuerzo y confinamiento del concreto comprimido, en el caso de estructuras en concreto reforzado; o en las conexiones y la hiperestaticidad del sistema en el caso de estructuras de acero o de madera. En la Figura 1 se observan las características de rigidez, ductilidad y resistencia de un edificio cuando se somete a cargas laterales de sismo. Fuerza, cortante basal Fu, resistencia máxima Fy, resistencia en la primera fluencia K, deterioro de la rigidez a medida que algunos elementos empiezan a fluir K, Rigidez inicial del sistema y deformación en la primera fluencia u deformación de rotura, desplazamiento en la azotea Figura 1. Curva F- para una edificación. 7

8 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Masa La masa es la medida que cuantifica la cantidad de materia en un cuerpo. En estructuras, la masa condiciona la respuesta del sistema toda vez que, según la segunda ley de Newton, F=m.a, a mayor masa, para una aceleración dada, en este caso la aceleración del terreno, se tendrá una mayor fuerza para resistir. Frecuencia natural y período de vibración Es una característica propia de un sistema que depende básicamente de la rigidez y la masa. En un movimiento oscilatorio, el período, T, corresponde al intervalo de tiempo necesario para que el sistema efectúe un ciclo completo de movimiento y su inverso, la frecuencia, es el número de ciclos por unidad de tiempo. La amplitud de vibración es el desplazamiento máximo del sistema desde su posición de equilibrio. La frecuencia natural en vibración libre del sistema (ω n ) se define matemáticamente como (3): (3) Donde k es la rigidez y m es la masa del sistema. Aumentar la rigidez de una estructura implica una disminución en su período de vibración, un menor tiempo en cubrir un ciclo completo de oscilación. Si se aumenta la masa aumenta el período de vibración, un mayor tiempo en dar un ciclo completo. Una simplificación para determinar el período de vibración de una edificación es expresarlo como una función de la altura. A mayor altura, períodos de vibración más largos. El suelo por el que viajan las ondas del sismo también tiene un período de vibración propio de acuerdo con su rigidez a cortante. Suelos blandos tienden a alargar los períodos de vibración. Resonancia La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar (posee masa y elasticidad) es sometido a la acción de una excitación periódica, cuyo período de vibración coincide con el período de vibración característico de dicho cuerpo. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza, dando lugar a oscilaciones peligrosamente grandes, haciendo de la falla por resonancia una posibilidad a tenerse en cuenta. Tomando como ejemplo un columpio donde se balancea un niño, el oscilador es el columpio con el niño y es forzado cuando se impulsa aplicándole periódicamente leves empujones. Cuando se entra en resonancia con este oscilador, la amplitud de las oscilaciones crece aún cuando el empujón aplicado sea mínimo. Eso es precisamente la resonancia, una pequeña fuerza produce un efecto enorme. En estructuras se debe tener especial cuidado cuando el período de oscilación del edificio está cercano al período del suelo sobre el que este se cimienta. El edificio responde ante la excitación con su propio período de vibración, si este es igual al del suelo se produce resonancia, aumentando la amplitud del movimiento. Una forma de controlar el fenómeno es buscar acomodar la rigidez y la masa de tal manera que el período no coincida con el del suelo. Es común que la masa de una edificación sea un valor muy fijo, por lo que la opción que queda es modificar la rigidez, que depende del sistema estructural y de la altura de la edificación. Sistemas más rígidos como aquellos de muros, tienen períodos cortos y trabajan mejor en suelos con períodos de vibración largos, sistemas de pórticos que tienen períodos de vibración largos, serían más aptos para suelos duros. Configuración de la planta de la edificación, simetría y continuidad. Se ha podido comprobar que las edificaciones con asimetrías grandes, tanto en su distribución de pesos como en su rigidez, tienen un mal comportamiento a la hora de un terremoto. Este mal comportamiento se debe a los efectos de torsión que se presentan al tener una masa excéntrica con respecto al sistema de resistencia sísmica. Plantas estructurales con formas salientes como figuras en T, L, o H, también presentan problemas. El movimiento diferencial entre el núcleo principal de la edificación y la aleta o saliente produce una 8

9 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: concentración de esfuerzos en la unión que hace que la aleta tienda a desprenderse del edificio. Regularidad del sistema en altura Combinación de diferentes sistemas estructurales en altura, como por ejemplo, pasar de un sistema flexible en el primer nivel de una edificación (pórticos) a un sistema rígido (muros) en los pisos superiores, conduce a un mal comportamiento en el primer nivel. El sistema de muros por ser más rígido atrae una mayor porción de fuerza sísmica, la que no es capaz de soportar el sistema de pórticos, produciendo una falla típica de piso débil. Hiperestaticidad y continuidad Si existe continuidad y monolitismo en un sistema estructural, es decir, que sea hiperestático, entonces mayor será la posibilidad de que, sin convertirse en un mecanismo inestable, se formen múltiples articulaciones plásticas, con alta capacidad de absorción de la energía proveniente del sismo. 3. CÓMO CALIFICAR LA SISMORRESISTENCIA EN UN EDIFICIO? En una edificación siempre se busca rentabilidad, la cual depende del mercado que tendrá el inmueble y de la economía en su construcción, sin poner en peligro la seguridad. Para el usuario también es importante la garantía de buen comportamiento de la edificación con el tiempo y los posibles costos de reparación o reposición en que se incurren cuando sucede un sismo. Con el concurso de estructuras sismorresistentes se pretende que los participantes construyan un modelo de un edificio en balso que con la menor cantidad de materiales se obtenga una estructura estable, rígida (pocas deformaciones) y resistente. De acuerdo con esto las variables básicas en la calificación del concurso, y que representan la realidad del comportamiento de un edificio, fueron las siguientes: - Desplazamiento en la azotea del edificio - Resistencia a cargas externas, medida a través de la aceleración impuesta a la estructura sin que esta colapse. Además de los aspectos estructurales del modelo, también se tiene en cuenta aspectos influyentes en la construcción de una estructura como son la economía y la factibilidad de construcción. Variables adicionales: - Material utilizado: peso total del modelo y éste se relaciona con la cantidad necesaria de material para construir la estructura a escala real. - Área en la planta del modelo: representa el terreno donde la estructura será construida. - Área total de la estructura disponible para la venta o alquiler: el espacio habitable de la estructura sin ningún tipo de obstáculos. Otras de las variables consideradas fueron el costo de reposición de la estructura y sus contenidos: - Daños por reparaciones: la magnitud de la aceleración que presente el modelo como reacción a la fuerza impuesta por el sismo artificial, estaría asociada, en la vida real, con los daños que sufriría la propia estructura, como agrietamientos y daño de elementos estructurales. - Daños de bienes muebles: según la deriva que sufra el modelo de acuerdo con el sismo impuesto, se generaría daños en los bienes muebles que permanecen en el interior de la estructura como máquinas, equipos de cómputo, etc. a. Planteamiento de ecuación de calificación Para la calificación de aspectos estructurales y económicos del edificio se elaboró una fórmula basada en ingresos, costos y gastos por reparaciones. El modelo ganador es aquel que obtenga el mayor puntaje calculado teniendo en cuenta los ingresos por alquiler representados en el área total construida (área de pisos),y el área de la primera planta (costo del terreno), menos costos de construcción, tenidos en cuenta en el peso del modelo, menos costos de reparación o reposición por daños basados en el desplazamiento lateral y la aceleración de la azotea. La ecuación de cálculo para el puntaje es: 9

10 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Puntaje I CE CT CPR CPR CRE CBM Donde: - Ingreso (I) por la venta o alquiler de la edificación ( ): $ 40 Á í $ A mayor área construida mayor área para vender o arrendar, por esto es que los ingresos totales deben depender directamente del área. Ahora, independientemente de sí es mucha el área o poca siempre se espera tener un margen de utilidad mínimo, de ahí el valor constante a la ecuación de ingresos. - Costo estructura ( ): 460 $ ñ El costo de la estructura es directamente proporcional a los materiales consumidos, en este caso al peso. El costo se diluye en el tiempo previsto de vida útil de la estructura 100 años. Cabe anotar que en la fórmula del costo de la estructura se resta el valor de 460 g-f, que representa la masa de la tabla de apoyo y la masa de la tabla del techo del modelo en gramos. - Costo del terreno ( ): $ Á ñ - Costo por daños estructurales ( ): este término depende del desplazamiento de la azotea del edificio, de acuerdo con el cual se destinó un porcentaje del costo anual de la estructura para reparaciones. Para esto se asignó una función lineal entre el límite de no daño estructural para un desplazamiento correspondiente a una deriva de 1% y daño total para una deriva de 7%. - Costo por pérdida de bienes muebles (CMB): este término depende de un múltiplo de la aceleración gravitacional (g), el cual fue dado por el acelerómetro instalado en la parte superior de la estructura. De igual forma que para costo de reparaciones estructurales se asignó una función lineal con 0% de pérdidas hasta una aceleración de 0,5 g y 0% el valor anual del edificio, para una aceleración de,5 g. b. Calibración de las variables Se realizó un estudio de la sensibilidad del puntaje final con la ponderación de variables a tener en cuenta en la calificación. De este estudio se calibraron los valores independientes. Una de las limitaciones que se tenían era que las ecuaciones de calificación fueran en términos lineales, de tal manera que representarán de una manera sencilla la realidad de un proyecto constructivo. En las Figura yfigura 3 se muestran los resultados de la ponderación al variar área construida, altura, peso y suponer aceleraciones y desplazamientos. El edificio de 15x15 es un edificio de 3150 cm de área con un peso de 70 gr-f, el edificio 0x0 es un edificio con un área de 5600 cm y 750 gr-f, el edificio de 15x15-8 es un edificio con área de 1800 cm y 600 gr-f de peso y el edificio de 0x0-8 es de 300 cm de área y 690 gr-f. De acuerdo con lo mostrado, a mayor deriva menor puntaje y a mayor aceleración mayor puntaje, presentándose una relación óptima en edificaciones de menor peso con buena área. 10

11 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Puntaje total vs deriva 5 Puntaje tiposde edificios 15x15 0x0 15x15-8 0x Deriva en cm Figura. Variación del puntaje con la deriva, para edificios de diferentes áreas y pesos. Puntaje total vs aceleración Puntaje ,5 1 1,5,5 3 aceleración Tipos de edificios 15x15 0x0 15x15-8 0x0-8 Figura 3. Variación del puntaje vs la aceleración para diferentes áreas y pesos. 4. ESTUDIO DE CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS RELEVANTES DE ALGUNOS MODELOS PRESENTADOS AL CONCURSO Para poder calificar los modelos es bueno hacer un recuento de las imposiciones constructivas que se tenían en el concurso. a. Especificaciones para la construcción del modelo En la Figura 4 se observa una geometría típica de las torres permitidas en sistema estructural de pórticos. También es permitido el uso de sistemas estructurales de muros representados por una lámina de balso de 3, mm de espesor y 5 mm de ancho mínimo. 11

12 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: b. Estudio de modelos Se analizan características dinámicas de una estructura como masa, geometría en planta y en altura, tipo de sistema estructural y continuidad del sistema tanto en planta como en altura. Otras características geométricas limitadas por el concurso son el área de la base de la torre, las dimensiones de la tabla de soporte, el área de la azotea, la unión torre tabla de soporte, las medidas del área transversal de vigas y columnas, la unión de elementos estructurales, altura mínima y máxima total de la torre, número mínimo y máximo de pisos, el tipo de pegante y el peso máximo. c. Muestra de la prueba En la Figura 5 se observa el montaje de un modelo en la mesa de terremotos. Se comprueba que los modelos con buenas características estructurales y especialmente aquellos donde se cuidaron los detalles constructivos, fueron los que resistieron la prueba. A pesar de que la misma prueba sísmica descartaba aquellos edificios que tenían defectos constructivos o estructurales, el puntaje final no se reflejó como se esperaba en los edificios mejor concebidos. La ecuación de puntaje demostró una falla al dar un gran valor a la masa de la edificación. Se observó que los ganadores, independientemente de la deriva o los daños, eran aquellos que desde el principio tenían un mayor puntaje. Así aquella torre que tuviera una alta relación de área construida/masa era prácticamente un ganador siempre y cuando pasara la prueba. La gran participación en el concurso demuestra el interés de los alumnos en esta clase de eventos, donde se despierta su competitividad, se aplican los conocimientos, y se demuestra la habilidad de crear, planear y construir. 5. Conclusiones Azotea Tabla de azotea Piso para colocación de peso adicional Piso típico Diagonales o riostras Piso 1 Piso 3 Piso Columnas Vigas Primer piso, doble altura Base de la torre Tabla de soporte la base Perforaciones en la tabla de base Figura 4. Geometría y configuración 1

13 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Características favorables: poca masa, con geometría regular en planta, buen anclaje en la tabla inferior, conexiones entre elementos rígidos y resistentes, buen número de elementos verticales continuos en toda la altura y localizados en la periferia. Características desfavorables: irregularidad en la rigidez en altura, algunos niveles presentan arriostramientos diagonales y otros no, principalmente el primer piso. Puntaje inicial antes de la falla: , sexto en la tabla de posiciones. Resistió la prueba. Segundo puesto Características favorables: poca masa, con geometría regular en planta y en altura, buen anclaje en la tabla inferior, conexiones entre elementos rígidas y resistentes. Un sistema de rigidez y resistencia concentrado en cuatro columnas bien configuradas estructuralmente y puestas en la periferia. Construcción impecable. Buena altura y área lo que proporciona un buen puntaje Características desfavorables: los elementos verticales entre columnas no tenían una función sísmica muy clara. Tal vez solo para dar un poco más de soporte a las vigas que llevaban la masa adicional colocada al edificio. Puntaje inicial antes de la falla: , segundo en la tabla de posiciones. Resistió la prueba. Primer puesto 13

14 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Características favorables: poca masa. Arriostramientos diagonales regulares en toda la altura que dan mayor rigidez a la torre. Características desfavorables: poca área construida, cambio de rigidez en altura, aunque este cambio puede ser favorable siempre y cuando el sistema de muros en el primer nivel se encuentre bien anclado al terreno. Se gana masa innecesariamente al poner muros en el primer nivel. Puntaje inicial antes de la falla: ( ), puntaje negativo que ya no lo hacía viable para construir. Resistió la prueba. Características favorables: poca masa, con geometría regular en planta y en altura, buen anclaje en la tabla inferior, conexiones entre elementos rígidas y resistentes, buen número de elementos verticales continuos en toda la altura y localizados en la periferia. Arriostramientos diagonales que regulares en toda la altura que dan mayor rigidez a la torre. arriostramientos diagonales en los pisos. Características desfavorables: poca área construida Puntaje inicial antes de la falla: , segundo en la tabla de posiciones. Resistió la prueba. 14

15 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Características favorables: estético. Características desfavorables: mucha masa. Edificio no factible de construir según el estado de pérdida arrojado en el cálculo del puntaje inicial. Cambio de rigidez en altura, rigidez desigual en ambas direcciones del edificio. Demasiado material en los pisos. Puntaje inicial antes de la falla: (658,46). Puntaje negativo No resistió la prueba. Características favorables: estético. Características desfavorables: cambio de un sistema menos rígido en el primer nivel a un sistema más rígido en los pisos superiores lo que hace que atraiga una mayor cantidad de fuerza sísmica. Poca rígidez en el primer nivel. Mal anclaje a la tabla de soporte. Puntaje inicial antes de la falla: ( ). Puntaje negativo No resistió la prueba 15

16 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Características favorables: estructuralmente no es buen edificio. Características desfavorables: discontinuidad en el sistema de rigidez en altura. Mucha masa en pisos superiores. Poca resistencia en los punto donde se colocaban las masas adicionales. Puntaje inicial antes de la falla: No resistió la prueba Características favorables: muy poca masa con buena altura y área construida Características desfavorables: deficiencia en las conexiones. Poca rigidez en el primer piso comparada con los pisos superiores al tener mayor altura. Puntaje inicial antes de la falla: Primer puesto en la tabla de puntaje antes de realizar la prueba. No resistió la prueba 16

17 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura 5. Muestra de la prueba en la mesa de terremotos REFERENCIAS Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Código Colombiano de construcciones sismo resistentes, NSR-98 tomo I "Oscilación" Microsoft Student 007 [DVD]. Microsoft Corporation, 006. Sears, Francis; Zemanski, Mark; Young, Hugh; Freedman, Roger. Física Universitaria. Volumen 1. Adisson Wesley. Novena Edición, Universidad de San Simón, Sochabamba, Argentina. Página web de Ingeniería Antisísmica. 9/cap_IV.htm Universidad Nacional de Colombia., Página web de la Escuela de física. ases_fisica_3/tacoma.htm Comité organizador concurso de estructuras 008-I. Lecciones del primer concurso de estructuras sismorresistentes. Jornadas de Investigación EIA 008. EERI Student Leadership Councils. 009 Undergraduate Seismic design Competition Rules. Sixth Annual Competition. 17

18 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: SEÑALES ELÉCTRICAS DEL DIAFRAGMA. PODEMOS USARLAS PARA SALVAR VIDAS? José Mauricio Ochoa Escobar 1, Juan Sebastián Osorio Valencia 1 Róbinson Alberto Torres Villa. 1 ingenieros biomédicos EIA, profesor de tiempo completo EIA Programa de Ingeniería Biomédica EIA-CES. Línea de Bioinstrumentación, Señales e Imágenes Médicas, Colombia. Grupo de Investigación en Ingeniería Biomédica EIA-CES (GIBEC) Escuela de Ingeniería de Antioquia, Alto de las Palmas, variante al aeropuerto José María Córdova, km +00, Resumen: Un cese en la respiración, superior a 15 segundos o acompañado por hipoxia o bradicardia, es llamado apnea, y ha sido encontrada en más del 50% de los bebes prematuros. En este proyecto se ha diseñado y construido un prototipo de detección de apnea para neonatos por medio de señales de electromiografía diafragmática, señales que se relacionan directamente con la señal de respiración proveniente del cerebro del bebe. El prototipo calcula la frecuencia cardiaca del paciente y puede detectar tanto episodios de apnea central como de apnea obstructiva, asimismo ha mostrado buenos resultados y viabilidad de ser un equipo comercial. Palabras clave: apnea de la prematuridad, electromiografía diafragmática, procesamiento de bioseñales, pruebas de hipótesis, seguridad eléctrica del paciente. 1. INTRODUCCIÓN La apnea como fenómeno anormal del aparato respiratorio, caracterizado por un cese completo de la señal respiratoria de forma involuntaria, trae consigo una serie de patologías que pueden afectar considerablemente al paciente que experimenta un episodio prolongado, patologías como una hipoxia repetida con efectos peligrosos en la función cerebral y cardiovascular (Moncada, 00). Es por ello que este fenómeno ha sido y sigue siendo estudiado con el fin de buscar alternativas que permitan identificarlo a tiempo y así reducir las consecuencias, que en muchas ocasiones llegan a ser mortales, en los pacientes que lo padecen. En cuanto al período neonatal, se debe tener en cuenta que los problemas relacionados con el aparato respiratorio son los que más pueden afectar al recién nacido, esto debido a un desarrollo incompleto de éste sistema, exacerbado en los bebes prematuros (Cloherty et al, 007). Es así como el 80% del trabajo en una Unidad de Cuidados Intensivos Neonatal (UCIN o NICU Neonatal Intensive Care Unit-) está relacionado con el cuidado de neonatos con problemas respiratorios o enfermedades pulmonares (Pepper, 001). Debido a estos y otros factores, en una Unidad de Cuidados Intensivos para Neonatos (UCIN), los bebés con menos de 35 semanas de edad gestacional deben ser monitorizados durante los primeros 7 días de vida en caso de que se presenten episodios de apnea. La monitorización debe continuar hasta que no se presenten episodios de apnea significativos durante 5 días (Cloherty et al, 007). Según estadísticas de la Organización Mundial de la 18

19 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Salud (OMS), una de las mayores causas de muerte de neonatos en el mundo es la asfixia (síndrome caracterizado por diversos episodios de apnea) con un 3% del total (OMS, 003), junto con la muerte de recién nacidos prematuros, con el 8% (datos suministrados para el período ). La apnea de la prematuridad es tanto más frecuente cuanto menor es la edad gestacional al momento del nacimiento (Pérez et al, 009), un estudio en el Hospital General de Medellín Luz Castro de Gutiérrez durante el período comprendido entre junio de 1999 y diciembre de 001, demostró que la apnea fue la mayor causa de muerte en el recién nacido, con un 19% del total (Camargo et al, 003). A partir de estas cifras surge la necesidad de implementar un dispositivo para la detección temprana de apnea en neonatos con el fin de poder tomar a tiempo las medidas necesarias para atender al paciente y disminuir de esta forma la mortalidad que se presenta. La observación directa de los neonatos y el cambio en las variables monitorizadas en éstos, como frecuencia cardiaca y saturación de oxígeno, es el principal método utilizado para la detección de apnea (Pérez et al, 009). Sin embargo, los episodios aún son demasiados y es de vital importancia la presencia del personal médico, razón por la cual se plantea la necesidad de una herramienta complementaria que de manera automática entregue una señal de alarma temprana en un episodio de apnea, de tal forma que no se requiera una presencia continua del personal de salud, enfermeras en su mayoría, sin que esto signifique un desentendimiento de la situación del paciente, pero sí un mejor aprovechamiento del tiempo y mayor atención de neonatos en un estado más delicado. Monitores convencionales, como los que detectan un cese en el movimiento de la caja torácica o el abdomen, pueden fallar en activar una alarma por movimientos del paciente o presentan la limitación en la detección de apnea obstructiva (Grogaard, 1993). Un equipo de electromiografía no invasiva capaz de estimar el funcionamiento de los pulmones podría extender las posibilidades de diagnóstico y podría dar una medida objetiva para evaluar la actividad respiratoria (Maarsingh, 004) y detectar episodios de apnea. Esta señal fisiológica es menos sensible a artefactos de movimiento, sin embargo en el caso de la electromiografía diafragmática, ésta tiene una amplitud relativamente baja y está altamente contaminada por la señal electrocardiográfica (complejo QRS principalmente), por lo que requiere un complejo sistema de procesamiento (Pepper, 001). El monitoreo de la actividad muscular del diafragma y los intercostales es considerado el método más directo para obtener información de la función de los músculos respiratorios y puede ser usado como un método indirecto para estimar la obstrucción de las vías aéreas, por lo tanto la electromiografía superficial diafragmática es una técnica llamativa para detectar tanto episodios de apnea central como obstructiva. En el presente trabajo se presenta el desarrollo de un prototipo para la detección de apnea en neonatos por medio de esta técnica. El proceso de diseño y construcción involucra el diseño de un sistema de adquisición de la señal de electromiografía de superficie del diafragma, el diseño de un sistema de acondicionamiento y procesamiento, y la implementación de algoritmos de detección.. METODOLOGÍA Con el fin de obtener la actividad eléctrica del diafragma, los electrodos fueron ubicados inmediatamente después del margen costal en los lados izquierdo y derecho del cuerpo, en una línea virtual dibujada verticalmente desde los pezones (electromiografía frontal del diafragma, ver Fig. 1) (Webster, 1998; Maarsingh, 004; Prechtl, 1977). La posición de los electrodos fue escogida debido a la facilidad para reemplazarlos durante las siguientes mediciones, la señal es mínimamente contaminada por la actividad eléctrica de los músculos intercostales durante la respiración tidal y el lugar se encuentra cerca de la inserción de las fibras costales del diafragma a lo largo del margen costal. La ubicación escogida es aceptable, obteniendo una señal EMG respiratoria clara durante la inspiración. Figura. 1. Posición de los electrodos para adquisición de EMG del diafragma (Maarsingh, 004). 19

20 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura.. Diagrama de bloques del prototipo para la detección de apnea en neonatos. A. Acondicionamiento y adquisición de la señal por hardware. La señal de electromiografía del diafragma es obtenida en los puntos previamente mencionados, y debido a que la amplitud de la señal de EMG es del orden de los microvoltios, aproximadamente 0µV (Pang, 1995), es ideal una etapa inicial de preamplificación de la señal, que incremente el nivel manteniendo una muy alta fidelidad. La función principal del amplificador de biopotenciales es tomar una señal eléctrica débil, de origen biológico, e incrementar su amplitud de tal manera que después pueda ser procesada, registrada o visualizada en un display. Durante la etapa de adquisición se tiene como requisito primordial la seguridad del paciente, por lo que debe haber un aislamiento entre la etapa inicial de pre-amplificación y el paciente. El amplificador de aislamiento tiene como función principal romper la continuidad óhmica de la señal de entrada pero transferir la señal exacta sin ninguna atenuación. Para esta etapa se utilizó un integrado AD10 de Analog Devices. B. Procesamiento de la señal por Hardware Después del amplificador de aislamiento, se divide la señal en dos canales y se añade un filtro activo para cada canal: un pasa-altas con frecuencia de corte de 50 Hz para obtener la señal de EMGdi (Zhou, 007). y un pasa-bandas con frecuencias de corte entre 13 y 5Hz para obtener el complejo QRS de la señal de ECG. Luego el procesamiento se enfoca principalmente en la eliminación del complejo QRS presente en la señal de EMGdi, para luego obtener una envolvente que se asemeje al patrón respiratorio del paciente. Por lo tanto se utiliza un método de eliminación de ECG basado principalmente en la detección del complejo QRS y la posterior eliminación del sector que comprende este complejo en la señal (Maarsingh, 004; Ochoa et al, 009). C. Algoritmo de reconocimiento de apneas El dispositivo hace la clasificación en tiempo real de las señales de EMGdi obtenidas tras el procesamiento por hardware utilizando un dispositivo electrónico inteligente como cerebro, el cual es un módulo de desarrollo RCM4510W de alta tecnología. El código compilado en el microprocesador Rabbit 4000 se encuentra divido en dos etapas principales: La tarea de entrenamiento, identificada como Training mode (TM) en el programa; y el ciclo que se encarga de la detección de los episodios de apnea, identificada como Detecting mode (DM) en el programa (Ochoa et al, 009). El TM se implementó con la finalidad de hacer el equipo personalizado para cada neonato, ya que las señales provenientes del paciente tienen características diferentes (dependiendo del tiempo de vida y madurez del bebe) y además cuentan con un rango de frecuencias cardiacas que pueden ser estables para un neonato y para otro no. Esta etapa inicial del programa toma alrededor de 1 minuto y 30 segundos, tiempo en el cual realiza los siguientes procesos: se dividen estos 90 segundos en ventanas de segundos (45 ventanas), en cada una de las cuales se extraen características de la señal EMGdi. En esta etapa de entrenamiento se calculan las medias (µ) y las desviaciones estándar (σ) para las señales obtenidas mediante el procesamiento por 0

21 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: hardware. Obtenidos los valores para las medias y las varianzas, el siguiente paso es calcular los límites de confianza teniendo en cuenta que se cumple con el número mínimo de muestras según el teorema del límite central (Freund, 005). Estos límites se definen de la siguiente manera: en las muestras aleatorias con media µ y desviación estándar σ, se toman muestras de 45 elementos y cada una de estas muestras tiene a su vez una media, y haciendo uso del teorema central del límite se puede demostrar que. A su vez como el número de muestras es superior a 30, la distribución de medias muestrales es prácticamente una distribución normal, con media y desviación estándar dada por la expresión. Por lo tanto se cumple que: ~ 0,1 (1) Figura. 3. Región crítica para la prueba de dos colas. En una distribución normal se puede calcular un intervalo en el que caigan un porcentaje de las observaciones, tal que Para este estudio se define un nivel de confianza del 95%, lo cual nos genera los puntos que delimitan la probabilidad para el intervalo 1.96 μ 1.96 (Ver Fig. 3). D. Visualización de las señal y otros dispositivos de salida Finalmente la envolvente de la señal de EMGdi se puede visualizar en una pantalla gráfica de cristal líquido (Graphical LCD) controlada por el microprocesador Rabbit (Ver Fig. 4) Figura. 4. Esquema de visualización de la señal en la pantalla de cristal líquido (LCD) durante el modo de detección (DM o Detecting Mode del algoritmo). Valor de la frecuencia ubicado en la esquina superior derecha. También en el momento de presentarse una apnea, sea de tipo central u obstructiva el dispositivo cuenta con una señal de alarma sonora para indicar el episodio. 3. CONCLUSIONES Se presenta en este trabajo el diseño y la construcción de un prototipo detector de apnea para neonatos basado en el procesamiento de señales de electromiografía superficial del músculo diafragma. Las características más importantes de este diseño son: 1. Se usa una técnica no invasiva que se relaciona directamente con la señal de respiración proveniente del centro respiratorio ubicado en el encéfalo, la detección de electromiografía superficial del diafragma (EMGdi).. Se elimina el artefacto de ECG presente en la señal en tiempo real y se calcula la envolvente de la señal EMGdi, la cual se asemeja al patrón respiratorio del paciente. 3. Se detectan ambos tipos de apnea, central y obstructiva, la central por una disminución en la actividad eléctrica del diafragma, y la obstructiva de forma indirecta por un aumento en los esfuerzos respiratorios reflejado en un incremento considerable de la señal EMGdi. 4. Se hace un análisis individualizado de la señal para cada paciente, con un previo entrenamiento del equipo, en el cual se calculan intervalos de confianza de variables extraídas de la señal EMGdi y se procede a implementar un algoritmo de detección de apnea basado en pruebas de hipótesis con medias de muestras grandes. 5. Se tiene en cuenta la relación directa entre la señal de EMGdi y una posible bradicardia, y se incluye esta variable en el algoritmo de detección con lo cual se 1

22 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: disminuye el porcentaje de falsas apneas detectado por el prototipo. 6. Se incluye un sistema de salida del prototipo compuesto por una alarma visual y sonora y la visualización en todo momento del patrón respiratorio del paciente en una pantalla gráfica de cristal líquido (LCD). 7. Se tiene en cuenta la importancia de la portabilidad y el fácil uso del equipo. RECONOCIMIENTOS Se agradece de forma especial a la Escuela de Ingeniería de Antioquia, la Universidad CES y el Hospital General de Medellín por las instalaciones y equipos facilitados durante el desarrollo de este trabajo; a los asesores Catalina Osorio y Christopher McLeod; y a todas las personas involucradas en el desarrollo del proyecto, como: el ingeniero líder de la unidad de metrología biomédica del Hospital Universitario San Vicente de Paul, Luis Carlos Álvarez Vélez; al doctor Ignacio Escobar, a Leo van Eykern, y al profesor Jorge Obando López. REFERENCIAS Camargo, H.J. et al. (003). Factores de riesgo para mortalidad en prematuros entre 800 y 1000 gramos. Hospital General de Medellín, Luz Castro de Gutiérrez. Junio de 1999 Diciembre de 001. Tesis de grado. Universidad CES. Medellín. Cloherty, J.P.; Eichenwald, E.C. and Stark, A.R. (007). Manual of neonatal care, Sixth Edition. Editorial Lippincott Williams & Wilkins, 007, 76p, p Freund, J.E. (005). Estadística matemática con aplicaciones. Sexta Edición. Pearson Educación, 64p, Capítulo 11-13, p Grogaard, J.B. (1993) Apnea Monitors. Acta Paediatrica Suppl, vol. 389, no. S390, pp , August. Maarsingh, E.J.W. (004). The electrical activity of respiratory muscles. An indirect measure to estimate airway reactivity in children with recurrent wheezing. PhD Thesis. Dept. Pediatric Pulmonology, University Hospital Amsterdam. Moncada, C.A. (00). Apnea obstructiva del sueño. CES Odontología. Vol. 15, No. 1, p Ochoa, J.M.; Osorio, J.S.; Torres, R.A. and McLeod, C.N. (009). Development of an Apnea Detector for Neonates using Diaphragmatic Surface Electromyography. 31 st Annual International IEEE EMBS Conference. Minneapolis, Minnesota, USA. Organización Mundial de la Salud-OMS. (003). Child and Adolescent Health and Development: Child Health Epidemiology. Disponible en Internet (Noviembre de 007): pidemiology.htm Pang, P.C.W.; Pepper, M.G. and Ducker, D.A. (1995). Monitoring respiratory activity in neonates using diaphragmatic electromyography. Med. & BioL Eng. & Comput., Vol. 33, p Pepper, M.G. (001). Neonatal Respiration Monitoring by Detection of the Diaphragmatic Electromyogram. Medical Electronics at University of Kent. Disponible en Internet (Octubre de 007): iration.html Pérez, J.; Cabrera, M. and Sánchez A.M. (009). Apnea en el período neonatal. Disponible en Internet (Junio de 009): Prechtl, H.F.R.; van Eykern, L.A. and O brien, M.J. (1977). Respiratory muscle EMG in newborns: a nonintrusive method. Early Human Development. Vol. 1, p Webster, J. (1998). Medical Instrumentation: Application and Design. Third Edition. John Wiley & Sons. USA. Zhou, P.; Lock, B. & Kuiken, T.A. (007). Real time ECG artifact removal for myoelectric prosthesis control. Physiol. Meas. Vol. 8, p

23 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: PÁRAMOS, FÁBRICAS NATURALES DE AGUA BAJO CONDICIONES CLIMÁTICAS CAMBIANTES Carlos Daniel Ruiz Carrascal 1, María del Pilar Arroyave Maya, María Elena Gutiérrez Lagoueyte 3, Paula Andrea Zapata Jaramillo 3 1 Investigador principal, Docente investigador, 3 Auxiliar de investigación * Grupo de Investigación Gestión del Ambiente para el Bienestar Social - GABiS Escuela de Ingeniería de Antioquia Alto de las Palmas, variante al aeropuerto José María Córdova, km +00; y Resumen: Los ecosistemas de alta montaña han sido considerados zonas estratégicas y de alta importancia debido a los numerosos bienes y servicios ambientales que ofrecen a la sociedad y a su alta vulnerabilidad a los efectos del Cambio Climático Global. Bajo este contexto, en el PNN Los Nevados y sus alrededores, específicamente en la cuenca hidrográfica del río Claro, se han analizado los cambios en las condiciones climáticas, el recurso hídrico y los ecosistemas, y los potenciales impactos sobre la integridad ecosistémica, con miras a proporcionar herramientas encaminadas a la conservación y definición de medidas de adaptación frente al cambio climático. Palabras clave: cambio climático global, ecosistemas de alta montaña, páramos, clima, recurso hídrico, río Claro y PNN Los Nevados. 1. INTRODUCCIÓN Los ecosistemas de alta montaña se encuentran ubicados en el cinturón altitudinal de los Andes Suramericanos que está por encima del bosque montano alto o bosque de niebla ( msnm) y por debajo de la zona de nieves perpetuas o glaciares (las condiciones climáticas actuales restringen los glaciares a cotas por encima de los msnm) (Hofstede, 1997 en Díaz, 005; Luteyn, 1999 en Díaz, 005). Los páramos, en particular, poseen características muy especiales a nivel ecológico debido a la alta biodiversidad y grado de endemismo de su flora y fauna (es decir, que tienen una distribución geográfica muy limitada y solamente se encuentran en una región específica del planeta), además de su importancia socioeconómica debido a los bienes y servicios que proveen a la sociedad. Entre ellos se resalta la función reguladora que permite una continua oferta hídrica, contribuyendo al abastecimiento de agua potable a las poblaciones localizadas en la zona baja de la montaña, la generación de energía y la irrigación de cultivos. Dicha regulación hídrica es posible gracias a diversos factores, entre ellos: la vegetación que habita las zonas de páramo, cuyas adaptaciones permiten la captura de agua, y las 3

24 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: características del suelo que permiten liberar agua en épocas de verano y almacenarla en épocas de invierno, controlando la escorrentía superficial, reduciendo los picos en los caudales de los ríos y protegiendo las zonas bajas de la erosión (Díaz, 005). Los páramos han sido considerados como uno de los ecosistemas más vulnerables a cambios abruptos en condiciones climáticas. Los páramos se caracterizan por poseer un delicado equilibrio que puede alterarse fácilmente debido a presiones externas causadas por actividades antrópicas, como cambio en el uso del suelo para cultivo de papa y ganadería extensiva (Ferwerda, 1987 en Van der Hammen 1997), y el incremento en las concentraciones de gases de efecto invernadero (GEI), que generan cambios en las condiciones climáticas. El objetivo fundamental de la investigación que se está llevando a cabo en la EIA apunta hacia el entendimiento de las señales de cambio y/o variabilidad climática en zonas de alta montaña, con particular énfasis en la oferta del agua y la integridad ecosistémica. El trabajo se ha abordado desde los siguientes seis ejes temáticos (Ruiz, et al. 009): (i) Estabilidad atmosférica y nivel de condensación por elevación; (ii) Balance de agua; (iii) Zonas de vida; (iv) Incendios; (v) Integridad ecosistémica y (vi) Condiciones climáticas. Este artículo resume algunos de los principales resultados del análisis de cambio en condiciones climáticas, el balance de agua y las zonas de vida de la cuenca alta del río Claro Área de estudio El trabajo se ha desarrollado en el Parque Nacional Natural (PNN) Los Nevados, el cual se encuentra ubicado en la cordillera Central de los Andes Colombianos, en los departamentos de Caldas, Risaralda, Quindío y Tolima. Esta área protegida abarca el Volcán Nevado del Ruiz (5.31 msnm), el Volcán Nevado Santa Isabel (4.950 msnm) y el Volcán Nevado del Tolima (5.00 msnm) (UAESPNN, 005). Específicamente, el estudio de caso se está llevando a cabo en la cuenca alta del río Claro, la cual posee un área de drenaje relativamente pequeña (190 km ). El nacimiento se encuentra en zona de superpáramo (4.500 msnm) sobre el flanco occidental de la cordillera Central, adyacente al glaciar del Nevado Santa Isabel. El río Claro entrega sus aguas al río Chinchiná y éste a su vez al río Cauca.. CARÁCTERÍSTICA DE LOS PÁRAMOS Los páramos son grandes reservorios naturales de agua dulce, denominados por algunos autores como fábricas de agua (Díaz, 005). Esto es posible gracias a sus condiciones particulares de nubosidad y niebla, suelos con alta permeabilidad, vegetación especializada en capturar agua atmosférica, presencia de humedales (lagunas y turberas) y, en algunos casos, glaciares. La estrecha interacción entre el clima, la vegetación y el suelo ha permitido que los páramos provean agua dulce continuamente, contribuyan a la recarga de acuíferos y actúen como reguladores de escorrentía superficial. Debido a su ubicación geográfica se encuentran sometidos a condiciones ambientales extremas. Se caracterizan por temperaturas promedio inferiores a 10 C, alta presencia de nubes y niebla en el día, alta radiación ultravioleta, baja presión atmosférica, fuertes vientos y eventos ligeros de precipitación (Castaño, 00; Gutiérrez et al., 006; Ruiz et al., 008). 3. ANÁLISIS DE CONDICIONES CLIMÁTICAS Las series de tiempo de estaciones hidrometeorológicas ubicadas en el área de influencia del PNN Los Nevados sugieren que se han presentado importantes cambios en las condiciones climáticas históricas. Estos cambios parecen tener comportamientos diferentes para niveles bajos ( msnm) y altos ( msnm) en la montaña. El análisis incluyó algunas de las variables climáticas más relevantes para la integridad ecosistémica, entre otras: la precipitación total anual, la precipitación máxima diaria, las temperaturas mínimas durante los días más fríos, las temperaturas máximas durante los días más cálidos y la humedad relativa mínima. Los análisis confirmatorios (pruebas de hipótesis) sugieren que, en el dominio espacial [04 5 N N y W W] que abarca el PNN Los Nevados y sus alrededores, y especialmente en las zonas altas del flanco Occidental de la Cordillera Central, se presenta una tendencia decreciente en la precipitación total anual en alturas por encima del óptimo pluviométrico (aprox msnm). Por el 4

25 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: contrario, en cotas por debajo de este nivel algunas estaciones exhiben una ligera tendencia creciente. Los registros de precipitación máxima diaria sugieren, en general, un incremento en la ocurrencia de eventos extremos de precipitación en la zona. Las temperaturas mínimas en los días más fríos muestran tendencias crecientes en todas las altitudes, sugiriendo que los días más fríos y las temperaturas por debajo del punto de congelación están siendo cada vez menos frecuentes. La tasa de aumento de las temperaturas mínimas en los niveles altos es significativamente mayor que los incrementos promedio observados en los niveles bajos. De igual manera, las temperaturas máximas durante los días más cálidos están aumentando, y también exhiben una tasa de incremento mayor en los niveles altos. Finalmente, los análisis confirmatorios sugieren que los valores mínimos de humedad relativa han decrecido de manera significativa en los niveles altos. Descripciones más detalladas del comportamiento de estas variables y otras como la nubosidad, el brillo solar y las condiciones de estabilidad atmosférica se presentan en los capítulos I y VI de Ruiz et al. (009). Se espera que estos cambios en condiciones climáticas generen importantes impactos en el ciclo hidrológico, afectando la oferta hídrica superficial y la integridad ecosistémica. 4. RECURSO HÍDRICO La cuenca alta del río Claro abarca desde la zona de nacimiento de su cauce principal, en el complejo de lagunas y turberas que se encuentran en la base del costado nor-occidental del Nevado Santa Isabel (4.500 msnm), hasta la confluencia con el río Molinos a aproximadamente msnm. A partir de la plataforma SIG diseñada se logró determinar los parámetros morfométricos (parámetros físicos, de forma, de relieve y asociados a la red de drenaje) para la cuenca y sus respectivas 4 sub-cuencas. La cuenca hidrográfica del río Claro posee una forma de pera, una longitud de cuenca de 19,9 km, un perímetro de 65,4 km y una longitud del cauce principal de 3,3 km. Las pendientes promedio de la cuenca y del cauce principal alcanzan, respectivamente, 9,71% y 13,1%, sugiriendo una alta velocidad de escorrentía y un considerable poder erosivo. Figura. 1. Modelo digital de terreno de la cuenca alta del río Claro. Los principales tributarios incluyen el río Molinos, la quebrada Las Nereidas y la quebrada Las Juntas. La línea de color rojo delimita el área de drenaje. Las series históricas disponibles para las estaciones hidrométricas ubicadas en el río Claro son muy cortas y discontinuas, lo cual impidió realizar los análisis estadísticos que permitieran determinar posibles no homogeneidades en el horizonte de registros. Por tal razón los análisis fueron complementados con el estudio de las series históricas para dos cuencas paralelas (río Chinchiná al norte y río Otún al sur), que poseen registros más extensos y continuos. Los ciclos anuales de caudales medios de los ríos Claro, Chinchiná y Otún exhiben distribuciones bimodales que responden al característico ciclo anual de precipitación en la zona, pero con un mes de rezago. Los valores más altos de caudal medio se observan en los períodos de abril-mayo-junio y octubre-noviembre-diciembre, mientras que en los meses de enero-febrero y julio-agosto se registran los valores medios más bajos. Los caudales máximos tienen un comportamiento semejante a los medios. Los ciclos anuales de caudales mínimos, por su parte, aunque se ajustan al ciclo anual de precipitación, exhiben una importante diferencia durante las estaciones secas enero-febrero y julioagosto. Durante estos meses se presentan aportes extra de agua por parte de los glaciares, los cuerpos de agua y las turberas, evidenciados en los incrementos de los registros esperados de caudal. Este aporte adicional es particularmente significativo en los ríos Claro y Otún. El río Chinchiná, el cual no recibe aportes de glaciar y exhibe una limitada presencia de turberas en la cuenca alta, presenta, por el contrario, 5

26 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: considerables reducciones en los caudales mínimos durante los períodos críticos secos. Los análisis exploratorios sugieren tendencias decrecientes en los caudales máximos y medios de los ríos Chinchiná y Otún. Sin embargo, los análisis confirmatorios sugieren que estas tendencias no son estadísticamente significativas para un nivel de significancia de En el río Otún, los caudales mínimos extremos y los caudales mínimos durante el período más seco (enero-febrero) exhiben tendencias decrecientes cercanas al 1.0% y >6.0% por década, respectivamente, durante los pasados 40 años. Los regímenes hidrológicos también podrían estar presentando importantes cambios. Además de la precipitación, el ciclo hidrológico de cuencas ubicadas en la alta montaña recibe aportes adicionales de agua gracias a los humedales de alta montaña (lagunas y turberas), la precipitación horizontal y los glaciares. Dado que el monitoreo realizado en campo indica la ocurrencia de cambios significativos en algunos de estos aportes, es de esperarse una importante repercusión en la oferta de agua resultante del ciclo hidrológico en la zona. Se han encontrado numerosos cuerpos de agua en las cabeceras de la cuenca del río Claro, de los cuales 8 han sido georreferenciados a la fecha con un Sistema de Posicionamiento Global de alta precisión. Estos cuerpos exhiben una marcada estacionalidad que responde a las condiciones climáticas prevalentes. Sus niveles de agua descienden en las épocas de verano, correspondientes a los trimestres diciembre enero febrero y julio agosto septiembre, y tienden a aumentar en las épocas de invierno, que ocurren normalmente en los meses de abril mayo y octubre noviembre. Estos humedales presentan además una dinámica en la escala interanual relacionada con las fases cálida y fría del fenómeno El Niño Oscilación del Sur (ENSO). Los espejos de agua (áreas superficiales) de las lagunas monitoreadas han mostrado una tendencia a la reducción en años recientes, incluso al ser monitoreados después de períodos lluviosos. Algunos de estos cuerpos de agua se observan colmatados o se encuentran en un proceso de colmatación, caracterizado por la colonización gradual de vegetación local. Adicionalmente, y de acuerdo con las marcas establecidas por el IGAC y el IDEAM (Euscátegui, 00; Ceballos et al., 008; IDEAM, 008) en el PNN Los Nevados, en las últimas décadas se ha presentado un dramático retroceso de los glaciares monitoreados: el Glaciar Molinos, ubicado en el flanco occidental del Nevado del Ruiz, y la lengua de glaciar Conejeras, ubicada en el flanco occidental del Nevado Santa Isabel. Estos retrocesos han sido forzados por actividad volcánica, cambios en las condiciones climáticas y cambios en el albedo superficial. 5. ZONAS DE VIDA Para determinar las zonas de vida se utilizó la metodología propuesta por Holdridge (1987) y se identificaron los posibles cambios que se podrían presentar en la distribución de las zonas de vida actuales con las variaciones futuras en precipitación y temperatura. Como se mencionó, los registros históricos de la red hidrometeorológica de los alrededores del PNN Los Nevados, exhiben tendencias, estadísticamente significativas, crecientes en temperatura media y decrecientes en precipitación total anual. De acuerdo con estas tendencias y sus extrapolaciones al año 050, se podrían esperar ascensos altitudinales de las zonas de vida que podrían generar cambios importantes en el área y distribución de las zonas de vida actuales. Específicamente, para el año 050 las condiciones ambientales de la cuenca alta del río Claro y sus alrededores podrían volverse más secas, lo que resultaría en la aparición de algunas zonas de vida inexistentes y en la reducción y expansión de las presentes actualmente. De acuerdo con estas aproximaciones, en el área de estudio se podrían presentar reducciones de hasta el 53% del área de páramo y 80% de área glaciar. Sin embargo, la futura distribución de estos ecosistemas dependerá de la capacidad que tengan los mismos de adaptarse a los cambios en las condiciones climáticas presentes en la zona. De forma complementaria a la definición de las zonas de vida se ha realizado una caracterización preliminar de la flora típica a partir de información secundaria, observación en campo (incluyendo un detallado registro fotográfico) y toma de datos en parcelas experimentales instaladas en la zona de estudio. Con ello se han definido algunas especies clave, características de las zonas de subpáramo, páramo propiamente dicho y superpáramo, que se han propuesto como bio-indicadoras. Estas especies podrían monitorear los posibles cambios futuros en la ubicación altitudinal de las actuales zonas de vida en la cuenca alta del río Claro. Algunas de las especies propuestas para el subpáramo incluyen: Gynoxys sp. (familia Asteraceae), Miconia salicifolia (Melastomataceae) y Monnina aff. 6

27 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: salicifolia (Polygalaceae); en zona de páramo propiamente dicho se sugieren las especies: Espeletia hartwegiana (Frailejón; Asteraceae), Diplostephium sp. (Romero blanco/de páramo; Asteraceae), y Plantago rigida (Cojín; Plantaginaceae); finalmente, en zona de superpáramo se proponen las especies: Senecio canescens (Girasol de páramo; Asteraceae), Loricaria colombiana (Cacho de venado; Asteraceae) y Draba pennell-hazenii (Brassicaceae) (ver ). significativa la integridad ecosistémica y los bienes y servicios prestados por estos ecosistemas. Los análisis de las condiciones climáticas en la zona reflejan que actualmente los páramos se encuentran sometidos a un incremento en su estrés climático, razón por la cual podrían esperarse importantes repercusiones en el ciclo hidrológico y disminuciones en la oferta hídrica superficial proveniente de estas zonas de alta montaña. Los cuerpos de agua del Parque Nacional Natural Los Nevados han reducido el área de su superficie significativamente en años recientes, incluso cuando son monitoreados después de períodos lluviosos. Es preciso continuar con el proceso de georreferenciación y monitoreo de estos cuerpos de agua para comprender con mayor profundidad sus dinámicas anual, interanual y de largo plazo. Aunque la información disponible es limitada para identificar tanto los impactos potenciales en los humedales de alta montaña (específicamente reducciones en el espejo de agua o colmatación de los mismos), como en el retroceso de los glaciares, probablemente se espera que estos cambios induzcan importantes alteraciones en la integridad de los ecosistemas de páramo. Figura.. Especies características de supáramo, páramo propiamente dicho y superpármo. Izquierda: Espeletia hartwegiana (Frailejón); Derecha: Monnina aff. salicifolia (arriba) y Draba pennell-hazenii (abajo). Está disponible un catálogo ilustrado de flora con fotografías de alta resolución. A la fecha se tienen disponibles 4 familias, 37 géneros y 3 especies. Se pretende que este catálogo sea un medio de difusión de la flora de páramo para toda la comunidad. 6. CONCLUSIONES Algunas de las variables climáticas claves en el equilibrio del ecosistema han venido cambiando dramáticamente durante las últimas décadas. Aunque los factores biofísicos siempre han presentado una considerable variabilidad natural en estas zonas de montaña, actualmente las actividades humanas en las escalas local, regional y global están generando una importante presión de tipo antrópica en estos ecosistemas estratégicos. Esta presión adicional podría afectar de manera La cuenca del río Claro en su zona de páramo ha venido evidenciando condiciones ambientales cada vez más secas durante las últimas décadas. Los análisis preliminares de zonas de vida proyectados para mediados del presente siglo, indican importantes cambios en el área y distribución de las mismas. Sin embargo, dichos cambios dependerán de la capacidad de adaptación de cada ecosistema y las especies de flora asociadas. Por ello se propone dentro de este estudio un análisis a partir de especies vegetales como posibles bio-indicadoras, que evidencien la respuesta de la vegetación a cambios en las condiciones climáticas. Este análisis requiere realizar un monitoreo a largo plazo que permita evidenciar el cambio o la adaptación de estos ecosistemas de alta montaña y su vegetación, frente a la modificación de las condiciones ambientales de la zona. RECONOCIMIENTOS El grupo de trabajo agradece a todas las instituciones y personas que han colaborado en este ejercicio académico y aportado elementos para su desarrollo. En particular, se agradece a Adriana Maria Molina y Juan Fernando Barros por sus 7

28 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: valiosos aportes al proyecto. También se agradece a las siguientes instituciones: el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM, la Unidad Administrativa Especial del Sistema de Parques Nacionales Naturales de Colombia -UAESPNN, el Centro Nacional de Investigaciones del Café -Cenicafé, el Instituto Geográfico Agustín Codazzi -IGAC, la Corporación Autónoma Regional de Caldas - CORPOCALDAS, la Corporación Autónoma Regional de Risaralda -CARDER, la Central Hidroeléctrica de Caldas CHEC, la Universidad Nacional de Colombia Sedes Medellín y Manizales, y el Internacional Research Institute for Climate and Society IRI. Finalmente se agradece a la Escuela de Ingeniería de Antioquia y al Banco Mundial por el apoyo financiero y el constante acompañamiento. REFERENCIAS Castaño, C. (00). Páramos y Ecosistemas Alto Andinos de Colombia en Condición HotSpot y Global Climatic Tensor. Santafé de Bogotá: IDEAM, Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, p. Ceballos J.L, Tobón E., Arias M., Carvajal J., López O., Buitrago V., Valderrama J., y Ramírez J. (008). Glaciares Santa Isabel y El Cocuy Colombia: seguimiento a su dinámica durante el período Memorias del VII Encuentro Internacional de Investigadores del Grupo de Trabajo de Hielos y Nieves Andinos y del Caribe, Manizales, Colombia. Díaz-Granados, M. A., Navarrete, J. D., Suárez, T. (005). Páramos: hidrosistemas sensibles. Revista de Ingeniería Vol.. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. p Euscátegui Ch., (00). Estado de los glaciares en Colombia y análisis de la dinámica glaciar en el Parque Los Nevados, asociada al cambio climático global. Tesis de Maestría en Meteorología. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias. Departamento de Geociencias, Bogotá, Colombia. Disponible en: alaciarparquenevados.pdf Ferwerda, W. (1987). Influence of potato cultivation on the natural bunchgrass páramo in the colombian cordillera Oriental. Informe 0, Laboratorio Hugo de Vries : Universidad de Amsterdam. Citado por: Vand der Hammen, T. (1997). Informe nacional sobre el estado de la biodiversidad de Colombia: Diversidad biológica. Tomo I. Santafé de Bogotá: Instituto de Investigación de Recursos Biológicos Alexander von Humboldt. Gutiérrez, M.E., Zapata P.A., y Ruiz D. (006). Hacia el entendimiento de las señales de cambio o variabilidad climática en la oferta hídrica superficial de cuencas hidrográficas en zonas de alta montaña. Programa de Ingeniería Ambiental. Escuela de Ingeniería de Antioquia, Antioquia (Colombia). 160 pp. Hofstede, R. (1997). La importancia hídrica del páramo y aspectos de su manejo. University of Amsterdan, Proyecto sobre la ecología del páramo y Bosque Andino (ECOPAR). Citado por: Díaz, M. et al. (005) Páramos: Hidrosistemas Sensibles. Revista de Ingeniería Universidad de Los Andes. Vol ; p Holdridge, L. R. (1987). Ecología basada en zonas de vida. Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, San José, Costa Rica. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM, (008). Los glaciares colombianos: expresión del cambio climático global. Disponible en: Luteyn, J. (1999). Introduction to the paramos ecosystem. Páramos a checklist of plant diversity. New York: Geographical distribution, and Botanical literature. Memories Botanical Garden Vol. 84; 78 p. Citado por: Díaz, M. et al(005). Páramos: Hidrosistemas Sensibles. Revista de Ingeniería Universidad de Los Andes. Vol ; p Ruiz D., Moreno H.A., Gutiérrez M.E., y Zapata P.A. (008). Changing climate and endangered high mountain ecosystems in Colombia. Science of the Total Environment 398 (1-3): 1-13; DOI information: /j.scitotenv Ruiz D., Arroyave M.P., Molina A.M., Barros J.F., Gutiérrez M.E., Zapata P.A. (009). Signals of climate variability/change in surface water supply of high-mountain watersheds Case study: Claro River high mountain basin, Los Nevados Natural Park, Andean Central Mountain Range. World Bank y Escuela de Ingeniería de Antioquia, Antioquia (Colombia). 07pp. UAESPNN, Unidad Administrativa Especial del Sistema de Parques Nacionales Naturales (005). Evaluación de impacto ambiental de alternativas más viables en cuanto a infraestructura y volúmenes de visitantes en el Parque Nacional Natural Nevados. Disponible 8

29 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: en: %0005/Boletin%031/Ampliaconce1/Evalua cion%0impacto%0ambiental%0pnn%0n evados.pdf Van der Hammen, T. (1997). Informe nacional sobre el estado de la biodiversidad de Colombia: Diversidad biológica. Tomo I. Santafé de Bogotá: Instituto de Investigación de Recursos Biológicos Alexander von Humboldt. 9

30 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CORDONES UMBILICALES QUE TEJEN MATRICES Y SOPORTAN CÉLULAS Diana Isabel Martínez Tobón, Juliana Valencia Serna, Diego Alejandro Velásquez Puerta, Carolina Londoño Peláez, Natalia María Zapata Linares, Catalina Pineda Molina. Escuela de Ingeniería de Antioquia Universidad CES Laboratorio de Cultivo tisular Grupo de Investigación en Ingeniería Biomédica EIA-CES (GIBEC) Resumen: Los sustitutos de piel compuestos de biomoléculas análogas a la matriz extracelular están en constante investigación, siendo clave el surgimiento de nuevas propuestas de materiales para fabricar estos reemplazos a partir de fuentes naturales, abundantes y asequibles. Este estudio describe un método alternativo de obtención de un procesado a partir de cordones umbilicales bovinos para la conformación de matrices liofilizadas y entrecruzadas químicamente y posterior cultivo de fibroblastos. Los resultados de este proyecto, aunque preliminares, presentan el potencial de los cordones umbilicales como fuente para el desarrollo de una matriz dérmica que contribuya a nuevas terapias de regeneración de piel. Palabras clave: Cordón umbilical, liofilización, técnicas de cultivo celular, reactivos de entrecruzamiento, fibroblastos. 1. INTRODUCCIÓN Cuando la piel ha sido gravemente dañada no puede regenerarse rápidamente, surgiendo la necesidad de utilizar una barrera externa de protección para prevenir infecciones y desecación en el tejido herido. Como tratamiento estándar, se han utilizado injertos de piel del mismo paciente, pero debido a la baja disponibilidad de sitios donantes, en algunos casos, y a la morbilidad generada en estas zonas, se han venido desarrollando otros tipos de sustitutos biológicos y sintéticos, que reducen la cantidad necesaria de piel donante, al tiempo que ayudan a disminuir procesos infecciosos y de deshidratación (Pineda et al., 000; Sosa et al., 1999; Cony et al., 1990; Velásquez et al., 008; Ross et al., 1995). De acuerdo a la naturaleza del sustituto, deben sintetizarse matrices que soporten las células, permitiendo su adhesión, proliferación y migración para alcanzar funciones y características de la piel natural (Velásquez et al., 008; Ross et al., 1995). 30

31 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Estas matrices deben ser porosas, con buenas propiedades mecánicas, biocompatibles y preferiblemente biodegradables, con una geometría que dirija la formación del nuevo tejido, y carácterísticas que promuevan el transporte de nutrientes y desechos biológicos (Lanza et al., 007). Generalmente estas matrices son fabricadas con polímeros biodegradables, proteínas, péptidos y materiales inorgánicos; y además de las propiedades del material, el factor que más influencia tiene sobre las características la matriz es la técnica de fabricación (Lanza et al., 007). Una de estas técnicas es la liofilización, que ha sido utilizada ampliamente en aplicaciones relacionadas con ingeniería de tejidos de la piel, especialmente con colágeno y glucosaminoglicanos (GAGs) (O Briena et al., 006; Supp et al., 005; Whang et al., 1995; Harley et al., 008; Coombes et al., 00; Yannas et al., 1989). El polímero se disuelve en agua o un solvente y se congela, luego el solvente congelado se evapora por medio de la aplicación de vacío para finalmente, producir matrices de estructuras altamente porosas (Lanza et al., 007; Wang, 000). El tamaño del poro se puede controlar con parámetros como tasa de congelación, temperatura, concentraciones iónicas y potencial de hidrógenos (ph) (Lanza et al., 007). Entre las numerosas investigaciones reportadas para el desarrollo de sustitutos dérmicos, el colágeno ha sido uno de los componentes de la matriz extracelular (ME) más estudiados. Al ser este un material tan abundante en la naturaleza, su síntesis más simple se hace a partir de tejido animal, principalmente a partir de bovinos y porcinos (Price et al., 007). La primera matriz de colágeno estable fue desarrollada por Bell en la década de los ochenta (Price et al., 007). A partir de allí, se han realizado diferentes modificaciones con otros materiales y procesos como adición de biomoléculas, por ejemplo condroitín sulfato (SCh), quitosán y ácido hialurónico (AH), para mejorar algunos aspectos como la estabilidad y la histocompatibilidad, y entrecruzamientos físicos o químicos como ciclos de congelamiento/descongelamiento y 1-etil-(3-3- dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC) respectivamente, para lograr una mejor resistencia mecánica y tasa de degradación (Zhang et al., 00; Yan et al., 006; Hennink et al., 00). A pesar de las investigaciones reportadas, queda mucho por explorar, desde la obtención de nuevos materiales (tanto naturales como sintéticos), pasando por la búsqueda de fuentes asequibles y eficientes, hasta los métodos de procesamiento, para formar finalmente matrices óptimas para el cultivo de fibroblastos (Zhang et al., 00; Ma et al., 006). Una de las alternativas para la síntesis de matrices es el aislamiento de biomoléculas que componen la ME, a partir de fuentes ricas en ellas (Lago et al., 00). Un claro ejemplo de esto es el cordón umbilical, que contiene un tejido conectivo mucoso conocido como gelatina de Wharton (Gartner et al., 001; Voet et al., 1995). Esta gelatina es una red de microfibras de glicoproteínas, fibras de colágeno y miofibroblastos, cuyo GAG más abundante es el AH (Wang et al., 004). A partir de este tejido, se ha realizado el aislamiento y la caracterización de polisacáridos para la obtención de un gel cicatrizante en la industria médico farmacéutica (Lago et al., 00). El uso de biomateriales derivados de tejidos ex vivo brinda la posibilidad de reducir costos en las investigaciones al ser potenciales sustitutos de productos de calidad comercial en procesos experimentales iniciales. En este trabajo se propone presentar un método para la obtención de un procesado de cordones umbilicales, basado en el utilizado por Lago et al., la conformación de una matriz porosa a partir del material obtenido por medio de la técnica de liofilización y la evaluación cualitativa del cultivo de fibroblastos soportado en las matrices producidas, con el fin de determinar si podrían llevar a un desarrollo posterior de matrices dérmicas para el tratamiento de heridas de piel.. MATERIALES Y MÉTODOS.1 Procesamiento de cordones umbilicales Los cordones umbilicales bovinos, proveídos por Envicárnicos E.I.C.E. (Envigado, Colombia) fueron seleccionados, refrigerados y almacenados en solución amortiguadora salina estéril (PBS), suplementada con una solución de antibióticos y antimicóticos. Luego de ser transportados al Laboratorio de Cultivo Tisular EIA-CES, los cordones fueron cortados, lavados y pesados, luego se añadió una solución de NaCl al 0,% refrigerada a 4 C (aproximadamente 4L por cada 500g de cordón). La solución junto con los cordones lavados se agitó durante 1 horas a una temperatura entre y 8 C. El líquido se separó de los restos sólidos de cordones 31

32 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: con el uso de gasa estéril a modo de filtro. La solución obtenida se mezcló con una solución de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) (Sigma, EE.UU.) al 1%. Esta solución fue sometida a agitación hasta obtener una homogenización completa, y fue almacenada a 4 C durante la noche. Se descartó el sobrenadante de la solución refrigerada dejando solamente el precipitado con un volumen suficiente para resuspenderlo. Luego se centrifugó a 440 g durante 10 minutos. Se descartó el sobrenadante y el botón se resuspendió en una solución de NaCl a una concentración de 0,4 mol/l para romper el complejo formado por el CTAB con el procesado. Se realizó otro ciclo de centrifugación bajo las mismas condiciones y al sobrenadante obtenido se le añadieron tres volúmenes de etanol al 96% (Sigma, EE.UU.), se dejó reposar esta solución por una hora para precipitar el producto final, luego se centrifugó a 4000 g por 10 minutos y por último se desechó el sobrenadante para obtener el producto final.. Conformación de matrices El producto resultante se sometió a un proceso de liofilización (Labconco, EE.UU.) a -50 C durante 18 horas. Con el producto seco se preparó una solución al 0,5% P/V aproximado en agua destilada, para obtener un volumen final aproximado de 1 ml por matriz. Esta solución se dejó en agitación hasta disolverse completamente para luego ser envasada en moldes cilíndricos individuales provenientes de un plato de 4 pozos (Becton Dickinson, EE.UU.). Las matrices se congelaron a -85 C por dos horas y luego fueron liofilizadas a -50 C por 4 horas..3 Entrecruzamiento de matrices Para mejorar las propiedades físicas y estabilidad biológica de las matrices en condiciones de medio de cultivo, se realizaron tres tipos de entrecruzamiento. Método congelamiento/descongelamiento. Una matriz se llevó a la cámara ambiental (Binder, Alemania) y se programó para que por 56 horas, se aplicaran 4 ciclos con rampas de - 0 C a 0 C, con un aumento gradual de 4 C. Al finalizar se realizaron comparaciones cualitativas con otra matriz sin modificar, se esterilizaron por exposición a una lámpara de rayos UV, luego se sumergieron en etanol al 70% durante 5 minutos y se lavaron con PBS. Se dejaron en medio de cultivo a 37 C y 5% de CO. Entrecruzamiento con 1-(3-dimetilaminopropil)-3- etil carbodiimida-ligado a polímero (pedc). Se agitó una solución de cloroformo con pedc al 1% P/V en el vórtex por 4 horas, se filtró con un separador de células con poros de 70 µm (BD Falcon, EE.UU.) y los residuos del filtro se lavaron con 0,5 ml de cloroformo (x 3 veces). Cada matriz se sumergió en esta solución por 4 horas a temperatura ambiente, se lavó con agua destilada 5 veces, se congeló a -85 C por dos horas y, finalmente, se liofilizó a -50 C por 4 horas. Entrecruzamiento con glutaraldehído (GA). Cada matriz se sumergió en una solución de acetona al 80% con 100 mm de glutaraldehído y 10 - N HCl por 4 horas a temperatura ambiente. Luego, las matrices se lavaron con agua destilada 5 veces, se congelaron a -85 C por horas y se liofilizaron a -50 C por 4 horas. Los lavados se realizaron con el fin de retirar restos de glutaraldehído que pueden quedar en las matrices y evitar así, posible citotoxicidad de las matrices..4 Cultivo celular y pruebas in vitro Se realizó un cultivo de fibroblastos de ovario de hámster chino (CHO-K1) (American Type Culture Collection, EE.UU.) sobre tres matrices sin entrecruzar, y dos entrecruzadas con pedc y GA respectivamente. Las matrices se irradiaron con luz UV para ser esterilizados. Las matrices se situaron en un plato de 4 pozos y se sembraron las células a una densidad de células/cm para ser incubadas por tres días a 37 C y 5% de CO, con medio mínimo esencial (MEM) suplementado con 10% de suero fetal bovino (FBS, Gibco, EE.UU.) y % de una solución de antibióticos/antimicóticos..5 Caracterización Estereoscopía y microscopía de contraste de fase. A las matrices producidas se les realizó un registro fotográfico mediante un estereoscopio (Nikon, Japón) y un microscopio de contraste de fases (Nikon, Japón), ambos equipados con una cámara digital (Nikon, Japón) para realizar una valoración cualitativa de su estructura. Ensayos de evaluación histológica. Una matriz control (sin entrecruzar) y otra matriz entrecruzada 3

33 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: con glutaraldehído, ambas con células CHO-K1 en cultivo durante 3 días, fueron tratadas en el Laboratorio de Patología del Hospital Pablo Tobón Uribe. Brevemente, las muestras fueron fijadas en formol amortiguado, deshidratadas con una serie gradual de baños de alcohol, aclaradas con xileno y finalmente embebidas en parafina para realizar cortes muy delgados. Las secciones histológicas de entre 5 y 10 µm de espesor fueron montadas en un portaobjetos objetos y teñidas con hematoxilina-eosina (HE). Estas secciones ultrafinas fueron estudiadas y fotografiadas mediante microscopía de contraste de fases. extracelular. Sin embargo, se deben realizar ensayos de caracterización del material. 3. Conformación, entrecruzamiento y caracterización de las matrices de procesado Se obtuvieron matrices tridimensionales de aproximadamente 1, cm de diámetro con apariencia esponjosa (Fig. 1). Las matrices se mostraron frágiles al ser manipuladas y exhibían una apariencia rugosa, porosa y fibrosa (Fig. -A). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Procesamiento de la muestra El producto resultante luego del procesamiento de las muestras de cordón umbilical, presentó una consistencia suave y maleable. La recolección y el procesamiento de la muestra para la obtención del producto final se realizaron diez veces con un rendimiento aproximado de 1,18 mg de producto final en peso seco por cada 100g de cordón umbilical bovino. Si bien Lago et al. reportaron un rendimiento de 6500 mg de producto final por cada 100 g de cordón umbilical humano, el 85% del peso de este producto es humedad, lo que representaría 97,5 mg de producto sólido por cada 100 g de materia prima. En la investigación aquí descrita, se obtuvo un 1,% del producto final obtenido por los autores anteriormente mencionados, probablemente debido a la variabilidad del tamaño de los cordones umbilicales bovinos usados y a que algunos volúmenes no fueron reportados en la publicación de Lago et al. y por lo tanto, se usaron concentraciones diferentes en ambas investigaciones. A pesar de no caracterizar el procesado de cordones umbilicales, la composición de la gelatina de Wharton, la acción reportada en la teoría de los reactivos utilizados y los resultados arrojados por investigaciones similares con cordones umbilicales humanos (Lago et al, 00), indican que es posible que los compuestos del material obtenido está constituido principalmente de ácido hialurónico y de otros glucosaminoglicanos propios de la matriz Figura. 1. Matriz esponjosa construida por medio del método de liofilización. La P resalta la tridimensionalidad de la matriz. Los tres entrecruzamientos realizados a las matrices, las modificaron como se describe a continuación: Con el entrecruzamiento físico, mediante la técnica de congelamiento/descongelamiento, se obtuvo una matriz aunque de dimensiones reducidas, con una estructura más compacta, un entramado más fuerte y más fácil de manejar que la matriz no entrecruzada (Figura. -B). A pesar de estas mejoras estructurales, la matriz entrecruzada por este método no mejoró sus condiciones en cultivo ya que, al igual que la matriz no entrecruzada, luego de haber sido lavada con PBS y estar sumergida en medio de cultivo por 7 días ya se había degradado completamente. El segundo tipo de entrecruzamiento se hizo químicamente pedc, Aunque la estructura de la matriz se alteró y se contrajo; ésta seguía siendo porosa, fibrosa y era fácil de manejar (Figra. -C). Para el tercer entrecruzamiento realizado químicamente con glutaraldehído, se aprecia en la Figura. -D un andamiaje con una estructura mucho más consistente, compacta y fácil de manejar en comparación con la matriz entrecruzada con pedc. 33

34 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Cultivo celular y pruebas histológicas Figura... Diferencias estructurales entre matriz sin entrecruzar y matrices modificadas con entrecruzamientos físicos y químicos (A) Matriz sin entrecruzar. (B) Matriz entrecruzada con ciclos de congelamiento y descongelamiento. o. (C) Matriz entrecruzada con pedc. (D) Matriz entrecruzada con glutaraldehído. Magnificación: (A) 30X. (B, C, D) 10X. Cultivo en matrices. Las matrices no entrecruzadas (NE) y entrecruzadas tras un día de incubación incu con las células, fueron fotografiadas como se presenta en la Figura. 3. En estas imágenes, se observa que las células alrededor del plato están vivas y adheridas adher (excepto en E) indicando que éstas pueden permanecer en buenas condiciones junto con las matrices sin ningún agente contaminante. Sin embargo, la mayoría de las células se deslizaron por las matrices y, en lugar de adherirse a éstas, lo hicieron en el plato. En la matriz entrecruzada con pp EDC, en la imagen E de la Fig. 3, no se encontraron células adheridas alrededor. Indicando quizá que muy pocas células se sembraron en esta matriz. Además, los procesos de entrecruzamiento químico causaron opacidad en n las matrices de los páneles D y E de la Figura.. 3 por tener una estructura más entramada que las otras matrices. Figura.. 3. Interacción de células CHO CHO-K1 con las diferentes matrices. Día 1 (A C) C) matriz sin entrecruzar. (D) 34

35 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: matriz entrecruzada con GA. (E) matriz entrecruzada con p-edc. Magnificación: A E) 10X Figura. 4. Cortes histológicos de matrices luego de tres días de cultivo. Se puede apreciar una estructura más entremada en la matriz entrecruzada. A y B secciones ultrafinas de matriz NE; en A se aprecian dos núcleos celulares. C y D secciones ultrafinas de matriz EG. Magnificación: A C) 10X. D) 0X. Pruebas histológicas. Para las evaluaciones histológicas se seleccionaron una matriz NE y la matriz entrecruzada con glutaraldehído (GA). En la Figura. 4, A y B se aprecian las fotografías de una misma sección de la matriz GA, mostrando en A dos núcleos celulares con uno de ellos poco saludable (núcleo no redondeado). En la misma figura, C y D son fotografías de secciones de matriz GA, donde no se encontraron células. Una razón por la cual la cantidad de células era tan reducida puede ser porque hubo fallas en el sembrado de las células como se explicó anteriormente. Otra razón, podría ser que la matriz GA, tras tres días de cultivo, indujo un efecto citotóxico a las células posiblemente por residuos de glutaraldehído después del entrecruzamiento. En los cortes histológicos se pudo analizar que las estructuras de la matriz NE y la GA varían notablemente. El color entre ambas matrices se diferencia, donde la matriz GA se tiñó de un color más oscuro que la matriz NE, quizá por lo residuos de glutaraldehído remanentes en la matriz. Por otro lado, la matriz NE se caracteriza por una disposición de sus componentes más uniforme y lisa (Fig. 4-B), mientras que la matriz GA presenta un entramado más complejo y compacto (Fig. 4 C-D); demostrándose así, que el entrecruzamiento con glutaraldehído fue exitoso por verse mejoradas las características de formación estructural y su apreciable resistencia, como se explicó anteriormente. En resumen, los ensayos de evaluación histológica y micrografías del microscopio de contraste de fases y estereoscopio realizados para caracterizar el cultivo de fibroblastos sobre las matrices, brindaron información acerca de la estructura de éstas, su conformación tridimensional y entramada y su cambio en el medio de cultivo. Este análisis además permitió ver una escasa cantidad de células presentes en el producto final debido probablemente, a errores en el método de cultivo y/o a que los cortes histológicos no fueron realizados de forma apropiada. Sin embargo, esta caracterización permitió ver diferencias estructurales entre las matrices con y sin entrecruzamiento. 35

36 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CONCLUSIONES Con el presente trabajo se demostró que con la ejecución de un proceso sencillo, aunque extenso, se puede producir un material que tiene el potencial de ser usado en aplicaciones biomédicas En este caso específico, para la construcción de matrices tridimensionales empleando la técnica de liofilización, que sirvieron de soporte para el cultivo de fibroblastos. Además estas matrices pudieron ser modificadas por medio de entrecruzamientos físicos y químicos que permitieron manipularlas con mayor facilidad y mejorar la capacidad de éstas de mantener su estructura en condiciones de cultivo. Sin embargo la consistencia de las matrices debe mejorarse, para lo cual se sugiere emplear en trabajos posteriores entrecruzantes con mejor desempeño como el EDC hidrocloruro, el cual es soluble en agua y ha sido ampliamente utilizado para el entrecruzamiento proteico. Las metodologías descritas en este proyecto presentan una propuesta innovadora preliminar para el área de materiales en la ingeniería de tejidos; los resultados consignados son un primer acercamiento que pueden llevar en etapas futuras, a la conformación de matrices dérmicas para el tratamiento de heridas de piel obtenidas de procesados de cordón umbilical bovino. AGRADECIMIENTOS Expresamos nuestros agradecimientos a la Escuela de Ingeniería de Antioquia y a la Universidad CES por apoyar la realización de este proyecto. REFERENCIAS Cony, M., et al. (1990). A treatment of leg ulcers with an allogenic cultured-keratinocyte-collagen dressing. Clinical and experimental dermatology. Clin Exp Dermatol, 15 (6), Coombes, A. G. A., et al. (00). Biocomposites of non-crosslinked natural and synthetic polymers. Biomaterials, 3, Gartner, L. and Hiatt, J. (001). Texto Atlas de Histología. Mc Graw Hill, Philadelphia, Pennsylvania. Harley, B. A. C., et al. (008). In vivo and in vitro applications of collagen-gag scaffolds. Chemical Engineering Journal, 137, Hennink, W. E. And Van Nostrum, C. F. (00) Novel crosslinking methods to design hydrogels. Advanced Drug Delivery Reviews. 54, 13-36, Lago, G. et al. (00). Aislamiento de polisacáridos a partir de cordones umbilicales humanos. Rev. Cubana de Farmacia, 36 (3) Lanza, R. et al. (007). Principles of Tissue Engineering. Elsevier. Ma, P. and Elisseeff J. (006). Scaffolding in Tissue Engineering. CRC Press. O Briena, F. J., et al. (005). The effect of pore size on cell adhesion in collagen-gag scaffolds. Biomaterials, 6, Pineda, G.and Rodríguez, B. (000). Las úlceras por presión: Un reto para el cuidado de enfermería y la rehabilitación en el ámbito domiciliario. Tesis de grado. Enfermeras, Universidad de Antioquia. Price, R. D. et al. (007) Hyaluronic acid: the scientific and clinical evidence. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery, 60, , Ross M. H et al. (1995). Histology a text and atlas. Williams & Wilkins. Sosa, A. F. J. et al. (1999). Tratamiento de Quemaduras de Espesor Total Mediante Autoinjertos Mallados Cubiertos con Aloinjertos Criopreservados de Epidermis Humana Cultivada In Vitro. Reporte de un caso. Cirugía Plástica, 9, Supp, D. M., et al. (005).Egineered skin substitutes: practices and potentials. Clinics in Dermatology. 3, Velásquez, D. et al. (008). Soluciones terapéuticas par la reconstrucción de la dermis y la epidermis. Oportunidades en el medio antioqueño. Revista Ingeniería Biomédica, 3, Voet, D. and Voet, J. (1995). Biochemestry. John Wiley & Sons, INC. 36

37 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Wang, W. (000). Lyophilization and development of solid protein pharmaceuticals. International Journal of Pharmaceutics, 03, Wang, H. S, et al.(004). Mesenchymal stem cells in the Wharton s jelly of the human umbilical cord. Stem Cells,, Whang, K., et al. (1995). A novel method to fabricate bioabsorbable scaffolds. Polymer, 36, Yan, J., et al. (006). Potential use of collagenchitosan-hyaluronan tri-copolymer scaffold for cartilage tissue engineering. Artificial Cells, Blood Substitutes and Biotechnology, 34, Yannas, I. V., et al. (1989). Synthesis and characterization of a model extracellular matrix that induces partial regeneration of adult mammalian skin. Proc. Natl Acad. Sci., 86, Zhang, L., et al. (00). The modification of scaffold material in building artificial dermis. Artificial cells, Blood Substitutes and Biotechnology, 30,

38 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: SIMULADOR DE TERREMOTOS A ESCALA REDUCIDA Carlos Andrés Blandón Uribe, Juan Camilo Valencia Estrada, Maria del Pilar Duque Uribe Profesores de tiempo completo de la EIA. Escuela de Ingeniería de Antioquia, Alto de las Palmas, variante al aeropuerto José María Córdova, km +00, Envigado. Abstract: Catastrophes caused by earthquakes are in many cases caused by lack of awareness and understanding of the phenomena. A small scale shaking table machine was designed and built as an academic tool for training civil engineers in the basic aspects of structural dynamics. In addition, this machine also serves as a demonstrative instrument to increase the seismic risk awareness of the non engineering community of the city. Keywords: shaking table, accelerometer, data acquisition, digital controller, pneumatic system. 1. INTRODUCCIÓN A través de la historia, entre las fuerzas de la naturaleza que han causado las mayores catástrofes están los terremotos. Eventos como los de San Francisco en 1906, Tokio en 193, China en 1976 y más recientemente en Sureste asiático en el 005 han cobrado la vida de cientos de miles de personas y han dejado pérdidas económicas inmensas. Colombia, al estar situada en el cinturón de fuego de pacífico no ha sido ajena a este tipo de catástrofes. Entre los eventos más significativos están los de Popayán en 1983 y el Eje Cafetero en Como respuesta a la necesidad de construir y desarrollar infraestructura en zonas expuestas a los sismos se han desarrollado normas o códigos que son requisitos mínimos para que las estructuras puedan soportar las demandas impuestas por posibles terremotos que ocurran en una región específica. La normativa contenida en estos códigos de diseño ha evolucionado significativamente desde las catástrofes de San Francisco y Tokio. Las mejoras a los códigos están basadas en las experiencias de sismos pasados y en gran parte en investigaciones y ensayos desarrollados en laboratorios y universidades alrededor del mundo. En años recientes, las técnicas de ensayos en edificaciones han evolucionado desde ensayos estáticos, en los cuales se aplicaban cargas controladas a elementos o partes representativas de estructuras, hasta ensayos dinámicos en los que se aplican registros de sismos reales a estructuras construidas a escala real. En este último caso, las edificaciones se construyen directamente sobre una mesa vibratoria la cual es capaz de moverse de la 38

39 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: misma forma como se movería el suelo durante in terremoto. Aunque es una de las metodologías más complicadas y costosas para ensayar estructuras es la que más se acerca al fenómeno real y la que mejor información provee sobre el comportamiento de una estructura completa sometida a una excitación sísmica. En este artículo se describe el proceso de construcción y la caracterización dinámica de una mesa vibradora a escala reducida. El uso principal de este instrumento es académico y de sensibilización de la comunidad en general sobre los posibles efectos adversos de un terremoto y como estar preparados.. ENSAMBLAJE MECÁNICO Y NEUMÁTICO El modelo mecánico construido fue el resultado de un proceso de búsqueda bibliográfica y ajustes a un modelo prototipo. Una versión inicial de la máquina consistía en la modificación de una plataforma impulsada por un motor eléctrico. La vibración horizontal se producía debido al giro de una excéntrica instalada en el eje del motor. La mesa estaba soportada por bielas verticales conectadas a articulaciones tanto en la plataforma superior como en la inferior que le servía como base. La figura 1 muestra en detalle la configuración de la mesa vibradora. Figura. 1. Modelo inicial de mesa vibradora El prototipo inicial de la maquina fue probado durante el primer concurso de estructuras sismo resistentes realizado en la Escuela de Ingeniería de Antioquia en el año 008. Durante este ensayo se encontraron diversos problemas en el montaje mecánico que finalmente resultaron en un daño estructural del ensamblaje. Entre las principales deficiencias de este prototipo estaba el efecto de péndulo invertido de la plataforma de vibración. El montaje en bielas inducia movimiento en la dirección vertical acoplado a la oscilación horizontal. Dicho comportamiento inducia un impacto al final del recorrido horizontal de la plataforma y posiblemente fue el causante de daño estructural del ensamblaje. Adicional a los inconvenientes estructurales, el movimiento del prototipo inicial estaba limitado a un solo nivel de amplitud. La única variable que podía ser variada en el movimiento era la frecuencia. Basados en la experiencia de este prototipo, se diseñó un sistema que solucionara las deficiencias y limitaciones encontradas. Las modificaciones del sistema incluyeron un sistema de deslizamiento sobre rieles horizontales los que restringen el movimiento vertical de la plataforma vibratoria. Adicionalmente, el motor eléctrico con el brazo excéntrico que impulsaba la máquina se reemplazó por un sistema neumático conectado a un pistón con un recorrido máximo de 100 mm. La velocidad máxima del pistón medida a 30 psi (00 kpa) fue 1 m/s lo cual es suficiente para representar las características de un movimiento producido por un sismo. Estas propiedades del pistón en adición al control electrónico que se describe más adelante dan más flexibilidad al rango de amplitudes y frecuencias que pueden reproducirse en la mesa vibradora. Es importante resaltar que las partes usadas para la construcción del ensamblaje neumático y mecánico fueron recicladas de máquinas o componentes en desuso disminuyendo significativamente el costo final del prototipo. El pistón está alimentado por un sistema neumático compuesto por un compresor, una válvula reguladora y una electroválvula que controla la dirección del flujo de aire. La válvula reguladora permite el control manual de la presión en el sistema y por ende, la velocidad del pistón. Al disminuir o incrementar la presión con dicha válvula pueden reproducirse terremotos de diferente intensidad. 39

40 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Un componente adicional del ensamblaje son las bandas reguladoras del movimiento. Estas bandas de caucho tienen la función de regular el desplazamiento máximo de la plataforma. Debido a las características del sistema neumático, no es posible controlar con precisión el desplazamiento de la plataforma; por lo tanto las bandas se colocaron para minimizar los impactos generados en los casos que el pistón alcanza su recorrido máximo. La descripción del ensamblaje completo se muestra en la figura. Tiempos cortos de cambio en el estado de la electroválvula hacen que el flujo de aire se invierta más rápidamente y la dirección del movimiento de la plataforma cambie con una mayor frecuencia. El diagrama del sistema de control de la válvula se muestra en la figura 3. A diferencia del prototipo inicial, el controlador electrónico permite programar movimientos de la plataforma que no necesariamente son armónicos sino que pueden ser aleatorios tal como es el caso de terremotos reales. La ventaja de este tipo de movimiento es que es posible excitar modelos de estructuras con diferentes características dinámicas sin que necesariamente se deba calibrar la frecuencia de la vibración con la frecuencia del modelo ensayado. Una ventaja adicional del dispositivo es que fue construido con salidas adicionales para controlar válvulas adicionales que pueden ser conectadas a otros pistones que pueden tener funciones de contrabalanceo de la mesa o también para dispositivos de control activo de modelos estructurales. El control activo se refiere a dispositivos ensamblados en el modelo construido sobre la mesa que al ser activados pueden ayudar a reducir el movimiento de dicho modelo inducido por la vibración de la plataforma. Figura.. Prototipo mejorado de la mesa vibradora (modelo en 3D creado por Sergio Basa).. CONTROL ELECTRÓNICO Y ADQUISICIÓN La tarjeta contiene los siguientes elementos: Microcontrolador PIC 16F877 de Microchip. 3 Entradas análogas unipolares de 10 bits, para los acelerómetros. 4 entradas digitales TTL. Para límites de carrera auxiliares. 1 puerto serial para la transmisión de datos al computador personal con estándar RS3C null modem. 3 hilos. 4 salidas digitales optoacopladas para manejar 5 válvulas solenoides auxiliares. 1 conexión auxiliar para 1 display de cristal líquido de líneas de 16 caracteres (LCD x16) con backlight. 1 conexión para un teclado matricial auxiliar de 4x4 caracteres. El control electrónico de la mesa vibradora es el encargado de controlar la frecuencia con que vibra la plataforma. Esto se logra debido a que el control está programado para manejar los tiempos de apertura y cierre de la electroválvula. 40

41 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura.. 4. Ilustración de muestreo de datos y esquema de programación en Labview. Figura. 3. Esquema del sistema neumático, control y adquisición. 3. Además de mostrar la lectura de los sensores de una forma entendible, la herramienta es además capaz de procesar estas señales les con el fin de aplicarlas en la caracterización de las propiedades dinámicas del modelo que se ensaya sobre la plataforma. Uno de estos parámetros es el periodo de vibración que puede arrojar información como masa y rigidez. ADQUISICIÓN DE DATOS El software para la adquisición y visualización de los datos se diseño con Labview.. Esta interface virtual procesa la información obtenida de la tarjeta de adquisición, la almacena y la presenta present gráficamente. En el panel frontal fue diseñado para presentar las aceleraciones en tiempo real medidas por los sensores ubicados en la plataforma y en el modelo ensayado. La figura 5 muestra la pantalla de adquisición (panel frontal) creada y el esquema esque de programación (diagrama de bloques). Figura 5. Pantalla de adquisición uisición 3. CALIBRACIÓN DINÁMICA La plataforma de simulación es capaz de replicar diferentes amplitudes y frecuencias de movimiento, sin embargo, uno de los objetivos de su construcción es poder definir estas variables antes de poner en movimiento la plataforma. taforma. 41

42 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Debido a las limitaciones del equipo y los controladores es necesario llevar a cabo un proceso de calibración del sistema. En este proceso se busca caracterizar el movimiento de la plataforma en términos de amplitud y frecuencia en términos de la presión en el sistema y el tiempo de inversión de flujo de la válvula. Al momento de la preparación de este artículo se continúa con este procedimiento de caracterización. Sin embargo, resultados preliminares muestran que bajo la máxima presión de 50 psi se alcanza la saturación de los acelerómetros lo que indican aceleraciones mayores a 5g (g = 9.81 m/s ). Al controlar la presión a valores menores de 15 psi los valores de aceleración están cerca de 1g. 4. MEJORAS EN DESARROLLO PARA LA PLATAFORMA Aunque el mecanismo cumple el objetivo de producir reproducir movimientos de diferente amplitud y frecuencia que logra excitar los modelos ensayados en sus diferentes modos de vibración, es necesario aún realizar ajustes a varios de los componentes del sistema, incluyendo tanto en el hardware como en el software. A nivel de hardware todavía es necesario mejorar el sistema de amortiguamiento que impide que la mesa llegue a sus topes máximos y produzca un choque al final de la carrera del pistón. La solución ideal a este problema se plantea podría obtener por medio del reemplazo de la electroválvula por una que permita controlar el flujo de aire además del tiempo de inversión de este. Una alternativa que permitiría un mejor control del movimiento de la plataforma sería la de reemplazar el sistema neumático por un sistema hidráulico que no tiene el inconveniente de la compresibilidad del aire. A nivel de software y control, uno de los principales inconvenientes es que la subrutina esta directamente programada en el controlador y no es posible modificar estas subrutinas a menos que el programa sea modificado a bajo nivel. Como una fase posterior, se busca que el control de la mesa sea por medio de un lazo cerrado. Esto significa que el movimiento de la mesa puede ser programado directamente desde el computador directamente para representar diferentes intensidades y frecuencias. Además, se busca que un sensor externo, de desplazamiento o de aceleración, sea capaz de controlar el movimiento de la plataforma y monitorearlo continuamente para que el movimiento real de la mesa sea muy cercano al programado. 5. DISCUSIÓN El comportamiento dinámico de las edificaciones puede describirse por ecuaciones de movimiento fundamentadas en principios matemáticos y físicos. Sin embargo, para entender de una clara lo que realmente está pasando en una edificación afectada por el movimiento del suelo es posible recurrir a simulaciones de modelos en escala reducida. La construcción del simulador de terremotos permite desarrollar una herramienta que genera vibraciones en los modelos de diferentes amplitudes y frecuencias que son capturadas por sensores. Además de que es posible observar el movimiento de los modelos durante la vibración del simulador, la información registrada puede ser usada para complementar la componente teórica del fenómeno del movimiento haciéndolo más comprensible. RECONOCIMIENTOS El desarrollo del simulador fue el resultado del esfuerzo conjunto de varios estudiantes y profesores de ingeniería civil y mecatrónica con el apoyo de la dirección de investigación de la EIA. Se reconoce especialmente la participación de Andrés Camilo Mendoza, Mauricio Fernandez y Andréz Velásquez, estudiantes de ingeniería mecatrónica y Daniel Felipe López, laboratorista de la EIA por su participación activa en la construcción de los componentes electrónicos y programación. Los estudiantes del semillero de investigación en estructuras y construcción también aportaron significativamente al proyecto. REFERENCIAS National Instruments (003), LABVIEW TM User Manual, National, Instruments, (accesado Septiembre 009). ANEXO Esquema general de la tarjeta de control para la mesa vibradora. 4

43 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN:

44 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CORDONES UMBILICALES HUMANOS: DESECHO O VIDA? Sara María López Álvarez 1, Catalina Pineda Molina 1, Carolina Londoño Peláez 1, Natalia María Zapata Linares 1, Jorge Andrés Jaramillo García 1 Programa de Ingeniería Biomédica, Laboratorio de Cultivo Tisular, Escuela de Ingeniería de Antioquia Universidad CES. Carrera 43 A # 5 Sur Médico Cirujano - Especialista en Ginecología y Obstetricia, Especialista en Valoración del Daño Corporal, Docente Universidad CES, Hospital General de Medellín Luz Castro de Gutiérrez. Carrera 48 # Resumen: El cuerpo alberga diferentes tipos de células madre capaces de regenerar diversos linajes celulares especializados. En particular, las células madre mesenquimales tienen la habilidad de diferenciarse en tejidos tales como el osteogénico, el adipogénico, y el condrogénico. El cordón y la sangre de cordón umbilical, son considerados como una buena fuente de células madre mesenquimales, de fácil obtención y que no presentan reparos éticos. En el presente estudio se buscó extraer células madre, tanto del cordón como de la sangre del cordón umbilical, para criopreservarlas durante diferentes tiempos y posteriormente descongelarlas y determinar la viabilidad celular bajo las condiciones establecidas. Palabras clave: células madre mesenquimales, criopreservación, cordón umbilical, cultivo celular, viabilidad, sangre fetal. 1. INTRODUCCIÓN Las enfermedades degenerativas constituyen uno de los problemas sanitarios más importantes en los diferentes países. Algunas de estas enfermedades afectan un gran porcentaje de la población, especialmente a los que se encuentran en una edad avanzada, provocando daños en ciertos tipos de células, y llevando consigo la alteración del correspondiente órgano o tejido (Jenkins et al., 003; Giannoudis and Pountos, 005; Universidad Autónoma de Madrid, 008). Los tratamientos tradicionales usan medicamentos que ayudan a aliviar los síntomas de la enfermedad pero no reparan el tejido dañado. Por tal razón, se ha constituido un nuevo campo en la medicina conocido como terapia celular que utiliza células vivas de diferentes fuentes corporales como agentes terapéuticos; el cual ha generado mucha expectativa en los últimos años, ya que permitiría la reparación de la función de los órganos y tejidos dañados (Jenkins et al., 003; Giannoudis and Pountos, 005; Universidad Autónoma de Madrid, 008). Una fuente celular atractiva corresponde a las células madre (stem cells, SCs), cuyas características principales son: (1) auto-renovación, o capacidad de generar por lo menos una célula hija con características similares, () diferenciación a distintos tipos celulares especializados y (3) capacidad de reconstrucción 44

45 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: funcional de un determinado tejido in vivo (Verfaillie, 00; Weissman, 000; Körbling and Estrov, 003; Chillik and Bayo, 001; Blau et al., 001; Langer and Vacanti, 1993; Prósper and Herreros, 004). digerido enzimáticamente con colagenasa hasta obtener un tejido homogéneo (Fig. 1D) (Kim and Kim, 004; Karahuseyinoglu et al., 007; Sarugaser et al., 005). Actualmente, tanto el cordón umbilical como su sangre, están siendo ampliamente investigados con el fin de comprobar si son posibles fuentes de SCs (Lee et al., 004; Secco et al., 008). El interés común entre los investigadores de este campo, está enfocado hacia la formación de bancos públicos o privados que permitan la criopreservación de las células madre del cordón umbilical (human umbilical cordon stem cells, HUCSCs) y de la sangre del cordón umbilical (human umbilical cordon blood stem cells, HUCBSCs), que podrían ser útiles para tratamientos de enfermedades futuras. Con el desarrollo de este trabajo se busca el establecimiento de un método para la obtención, cultivo, criopreservación y evaluación de la viabilidad de las HUCSCs y HUCBSCs, con el fin de proporcionar a la comunidad local evidencias científicas que permitan esclarecer la idoneidad del uso de estas células en el tratamiento de enfermedades degenerativas.. MATERIALES Y MÉTODOS.1. Obtención de la muestra La investigación se realizó mediante un convenio entre la Escuela de Ingeniería de Antioquia, la Universidad CES y el Hospital General de Medellín Luz Castro de Gutiérrez (HGM). Los cordones umbilicales fueron obtenidos de pacientes sometidas a parto natural o cesárea, dentro de las instalaciones del Hospital, luego de la firma del consentimiento informado, en el cual se les explicaba el propósito del trabajo. Los cordones y la sangre fueron transportados hasta el Laboratorio de Cultivo Tisular (EIA-CES) bajo condiciones de asepsia y baja temperatura (Figura. 1A), para su posterior procesamiento. Figura. 1. Cultivo primario de HUCSCs. A. Transporte del cordón umbilical. B. Fragmentos del estroma del cordón umbilical. C. Tejido finamente cortado. D. Tejido en colagenasa para la digestión enzimática. E. Cultivo primario de HUCSCs. El tejido fue centrifugado y finalmente se realizó un cultivo del botón celular obtenido (Fig. 1E) (Kim and Kim, 004; Karahuseyinoglu et al., 007; Sarugaser et al., 005). Cultivo primario de HUCBSCs. Para el procesamiento de la sangre, se llevaron a cabo dos tipos de cultivos: el primero, se realizó con la sangre completa (Figuras. A y B); el segundo tipo, se realizó por la separación y el aislamiento de las células mononucleares mediante la centrifugación por gradiente de densidad (Figura. C). Las células obtenidas fueron cultivadas (Figura. D) e incubadas a 37 C en una atmósfera húmeda con 5% de CO. Las células fueron cultivadas durante 3, 7, 15, 19, 1 y 8 días antes de ser sometidas a ensayos posteriores... Cultivo celular Cultivo primario de HUCSCs. El estroma del cordón umbilical fue lavado con PBS estéril. Posteriormente, el tejido fue cortado finamente (Fig. 1B y 1C) y 45

46 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: (dimethylsulfoxide, DMSO) como medio para criopreservación de HUCSCs y finalmente, la suspensión celular se llevó a -85 C. Se evaluó la viabilidad de las células criopreservadas durante 9, 15 y 30 días de congelamiento..4. Descongelamiento Pasados los tiempos de criopreservación, los crioviales fueron descongelados en baño María a 37 C. Las células fueron contadas y se les evaluó su viabilidad para comprobar el efecto del congelamiento/descongelamiento celular (Freshney et al., 007). Finalmente, fueron cultivadas e incubadas a 37 C en una atmósfera húmeda con 5% de CO. Figura.. Cultivo primario de HUCBSCs. A. Cultivo de células totales. B. Cultivo de células totales. C. Separación de células mononucleares mediante la centrifugación por gradiente de densidad. D. Cultivo primario de HUCBSCs..3. Criopreservación La preservación del material biológico a temperaturas criogénicas, conocida como criopreservación, consigue detener completamente las reacciones biológicas y tiene por objetivo mantener el material biológico en un estado viable para su posterior utilización en una gran variedad de investigaciones y propósitos clínicos (Rebulla et al., 1999; Meryman, 1974). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Obtención y cultivo celular Obtención y cultivo primario de HUCSCs. La primera formación de colonias celulares se hizo visible luego 7 horas de cultivo (Figura. 3A). Sin embargo, con la metodología propuesta, y como lo dan a conocer algunos autores (Páez, Arévalo, Wagner y Kern), el éxito del aislamiento fue aproximadamente del 30-35% y nunca se alcanzó el 100% (Páez et al., 007; Wagner et al., 005; Arévalo et al., 007; Kern et al., 006). Con el fin de optimizar la supervivencia celular, se utilizan agentes protectores o crioprotectores en el medio de criopreservación, los cuales se encargan de proteger la membrana celular, núcleo y orgánulos citoplasmáticos durante almacenamientos de larga duración y así mismo, son esenciales para mantener la viabilidad de la mayoría de las células criopreservadas (Moore and Zouridakis, 004). Sin embargo, como característica general en la mayoría de las aplicaciones de la criopreservación, se ha encontrado que rara vez se alcanza el 100% de la viabilidad (Meryman, 1974). Así pues, las células en cultivo fueron despegadas de los frascos utilizando una solución de tripsina/edta. Posteriormente, se evaluó la viabilidad celular mediante tinción con azul de tripano (Freshney et al., 007) y se contó el número de células a criopreservar. Luego, se agregó dimetilsulfóxido 46

47 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura. 3. Cultivo primario de HUCSCs. (a) A los tres días del cultivo; (b) A los seis días del cultivo; y (c) A los dieciocho días del cultivo. Morfologías obtenidas en los cultivos primarios de HUCSCs. (d) Morfología fibroblastoide; y (e) Morfología aplanada. Las células fueron mantenidas en cultivo hasta 8 días, tiempo durante el cual no se observó una marcada proliferación celular (Figura. 3B y 3C). En las colonias obtenidas, se pudieron apreciar células adherentes con morfología alargada (morfología fibroblastoide) (Figura. 3D) y células adherentes con morfología aplanada (Figura. 3E), dos formas conocidas de las SCs, tal y como se presenta en la literatura (Arévalo et al., 007; Kern et al., 006; Bieback et al., 004; Kuo et al., 004; Baksh et al., 004; Leong et al., 006; Izadpanah et al., 006; Romanov et al., 003; Deans and Moseley, 000). Obtención y cultivo primario de HUCBSCs. Se presume que la utilización de tubos Vacutainer de 10 ml impidió la recolección de más de 15-0 ml de sangre, y de acuerdo con la literatura (Prat et al., 008; Cairo and Wagner, 1997) para considerar una unidad donada como válida, y, por tanto, adecuada para la criopreservación, debería haber un número suficiente de células mononucleares, lo cual se consigue, con un volumen total de sangre recolectada superior a 40 ml. Por el método de cultivo de sangre completa, se observó la formación de pequeñas colonias aisladas con forma redondeada. Por el método de separación de células mononucleares mediante la centrifugación por gradiente de densidad, algunas de las colonias presentaban la morfología fibroblastoide descrita en la literatura (Arévalo et al., 007; Baksh et al., 004; Romanov et al., 003; Deans and Moseley, 000), así como la redondeada. Sin embargo, la cantidad de células iniciales siempre fue muy baja, y con el tiempo éstas no lograban proliferar. Diversas investigaciones señalan que al comparar las HUCBSCs con las de la médula ósea (bone marrow stem cells, BMSCs), se han encontrado ventajas significativas de las HUCBSCs (Marshak et al., 001; Gardner, 007). Sin embargo, estudios realizados por otros investigadores, en los que se compara el éxito del aislamiento, la proliferación y la diferenciación entre las células obtenidas a partir de la médula ósea, el cordón umbilical y el tejido adiposo, contradicen algunas de las ventajas de las HUCBSCs encontradas en la mayoría de estudios, e incluso concluyen que las desventajas superan los aspectos positivos del trabajo con esta fuente celular, tal como se ilustra en la Tabla 1. En la misma, se resaltan aspectos como el éxito en el aislamiento de las células (30-34% en sangre frente a 100% en los otros tejidos), tiempos de formación de colonias in vitro (mayor para las HUCBSCs que para las BMSCs y las células madre derivadas del tejido adiposo (adipose derived stem cells, ADAS)), y potencial de diferenciación a linajes celulares especializados (Páez et al., 007; Wagner et al., 005; Arévalo et al., 007; Kern et al., 006). Tabla 1. Comparación de MSCs obtenidas a partir de diferentes tejidos (Modificado de Arévalo et al., 007). PARAMETRO FUENTE MÉDULA ÓSEA SANGRE DE CORDÓN UMBILICAL TEJIDO ADIPOSO Éxito de aislamiento 100% 30-34% 100% Formación de monocapa adherente 4-5 días -4 semanas 4-5 días Unidad formadora de colonias obtenidas en la monocapa adherente (número) Capacidad de diferenciación osteogénica 71.4% 100% 78.8% 47

48 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: PARAMETRO FUENTE MÉDULA ÓSEA SANGRE DE CORDÓN UMBILICAL TEJIDO ADIPOSO Capacidad de diferenciación adipogénica 100% 0% 94% Capacidad de diferenciación condrogénica 3.3. Descongelamiento 100% 100% 100% de la viabilidad celular. Luego del descongelamiento se evaluó la viabilidad de las células criopreservadas, y se encontró que, en promedio, la viabilidad disminuyó en un 3,5% (Tabla ). Lo anterior representa una notable pérdida Al cultivar las células descongeladas, se observó una formación de colonias celulares. Tabla. Criopreservación de los diferentes cultivos de HUCSCs. CULTIVO TIEMPO DE CULTIVO (días) TIEMPO DE CRIOPRESERVACIÓN (días) % DE VIABILIDAD INICIAL % DE VIABILIDAD FINAL CONCLUSIONES Se establecieron los protocolos para la obtención, el cultivo y la criopreservación de HUCSCs. De igual manera, se comprobó que es posible criopreservar a corto plazo las HUCSCs, sin embargo es importante tener en cuenta que puede haber una considerable pérdida en la viabilidad celular luego de que éstas son descongeladas, seguida de una disminución en la proliferación al cultivarlas nuevamente. Se puede decir que gracias al convenio EIA-CES- HGM este trabajo se constituyó como el primer acercamiento a un estudio de factibilidad para la creación de un banco de HUCSCs público; el cual facilitaría el acceso a los avances en el campo de SCs a un porcentaje mayor de la población que no lo puede costear. Para la recolección de la sangre, se recomienda trabajar con bolsas recolectoras de sangre de 50 ml de capacidad. Además, como complemento de los resultados aquí reportados se propone la evaluación de la viabilidad de las HUCSCs a mediano y largo plazo. Finalmente, se recomienda el estudio y la implementación de otro método de criopreservación celular, con el cual se pueda asegurar una mayor viabilidad de las células al momento del descongelamiento. REFERENCIAS Arévalo J.A., Páez D.M., Rodríguez V.M. (007). Células madre mesenquimales: características biológicas y aplicaciones clínicas. In: NOVA, 5, Baksh D., Song L., Tuan R.S. (004). Adult mesenchymal stem cells: characterization, differentiation, and application in cell and gene therapy. In: J. Cell. Mol. Med., 8, Bieback K., Kern S., Klüter H., et al. (004). Critical parameters for the isolation of mesenchymal stem cells from umbilical cord blood. In: Stem Cells,, Blau H.M., Brazelton T.R., Weimann J.M. (001). 48

49 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: The evolving concept of a stem cell: entity or function? In: Cell, 105, Cairo M.S., Wagner J.E. (1997). Placental and/or Umbilical Cord Blood: An Alternative Source of Hematopoietic Stem Cells for Transplantation. In: Blood, 90, Chillik C., Bayo R. (001). Criopreservación de células madre de cordón umbilical. In: Revista de Endocrinología Ginecológica y Reproductiva, 1-0. Deans R.J., Moseley A.B. (000). Mesenchymal stem cells: Biology and potential clinical uses. In: Experimental Hematology, 8, Freshney R.I., Stacey G.N., Auerbach J.M. (007). In: Culture of human stem cells. Ed. Wiley, Cap. 7, pp Gardner R.L. (007). Stem cells and regenerative medicine: principles, prospects and problems. In: C. R. Biologies, 330, Giannoudis P.V., Pountos I. (005). Tissue regeneration: the past, the present and the future. In: Injury, 36, S-S5. Izadpanah R., Trygg C., Patel B., et al. (006). Biologic Properties of Mesenchymal Stem Cells Derived From Bone Marrow and Adipose Tissue. In: Journal of Cellular Biochemistry, 99, Jenkins D.D., Yang G.P., Lorenz H.P., et al. (003). Tissue engineering and regenerative medicine. In: Clinics in Plastic Surgery, 30, Karahuseyinoglu S., Cinar O., Kilic E., et al. (007). Biology of Stem Cells in Human Umbilical Cord Stroma: In Situ and In Vitro Surveys. In: Stem Cells, 5, Kern S., Eichler H., Stoeve J., et al. (006). Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow, umbilical cord blood, or adipose tissue. In: Stem Cells, 4, Kim J.W., Kim S.Y., Park S.Y., et al. (004). Mesenchymal progenitor cells in the human umbilical cord. In: Annals of hematology, 83, Körbling M., Estrov Z. (003). Adult stem cells for tissue repair a new therapeutic concept? In: The New England journal of medicine, 349, Kuo T.K., Lee O.K., Chen W-M., et al. (004). Isolation of multipotent mesenchymal stem cells from umbilical cord blood. In: Blood, 103, Langer R., Vacanti J. (1993). Tissue engineering. In: Science, 60, Lee M.W., Choi J., Yang M.S., et al. (004). Mesenchymal stem cells from cryopreserved human umbilical cord blood. In: Biochemical and Biophysical Research Communications, 30, Leong D.T., Khor W.M., Chew F.T., et al. (006). Characterization of Osteogenically Induced Adipose Tissue-Derived Precursor Cells in - Dimensional and 3-Dimensional Environments. In: Cells Tissues Organs, 18, Marshak D.R., Gardner R.L. Gottlieb D. (001). In: Stem Cell Biology. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cap. 10; 16, pp. 19-0; Meryman H.T. (1974). Freezing Injury and its Prevention in Living Cells. In: Annual Review of Biophysics and Bioengineering, 3, Moore J., Zouridakis G. (004). In: Biomedical Technology and Devices Handbook. CRC Press, Cap. 15, pp Páez D., Arévalo J., Rodríguez V.M. (007). Evaluación de características morfológicas e inmunofenotipo de células madre mesenquimales en cultivo obtenidas a partir de sangre de cordón umbilical y médula ósea. In: NOVA, 5, Prat I., Hernández C., Ortiz M., et al. (008). Transplantation perspectives in umbilical cord blood Banks. In: Transfusion and Apheresis Science, 38, Prósper F., Herreros J. (004). Células madre adultas. In: Revista Argentina de Cardiología, 7, Rebulla P., Lecchi L., Porretti L., et al. (1999). Practical Placental Blood Banking. In: Transfusion Medicine Reviews, 13, Romanov Y.A., Svintsitskaya V.A., Smirnov V.N. (003). Searching for Alternative Sources of Postnatal Human Mesenchymal Stem Cells: Candidate MSC-Like Cells from Umbilical Cord. In: Stem Cells, 1, Sarugaser R., Lickorish D., Baksh D., et al. (005). Human Umbilical Cord Perivascular (HUCPV) Cells: A Source of Mesenchymal Progenitors. In: Stem Cells, 3, 0-9. Secco M., Zucconi E., Vieira N.M., et al. (008). Mesenchymal stem cells from umbilical cord: Do not discard the cord! In: Neuromuscular Disorders, 18, Universidad Autónoma de Madrid. Nuevos avances en terapia celular y medicina regenerativa 49

50 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: (008). Consultado el 5 de mayo de 009 en: Verfaillie C.M. (00). Adult stem cells: assessing the case for pluripotency. In: TRENDS in Cell Biology, 1, Wagner W., Wein F., Seckinger A., et al. (005). Comparative characteristics of mesenchymal stem cells from human bone marrow, adipose tissue, and umbilical cord blood. In: Exp Hematol., 33, Weissman I.L. (000). Stem cells: units of development, units of regeneration, and units in evolution. In: Cell, 100,

51 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: QUÉ DEBE MEJORARSE EN LOS DATOS DE LA INFORMACIÓN BÁSICA PARA LA EVALUACIÓN DE CORRIENTES URBANAS Juan Fernando Barros Martínez, Luz Eliana Vallejo Giraldo Profesores EIA Escuela de Ingeniería de Antioquia. Grupo de Investigación espiral. Km +00 variante al aeropuerto José María Córdova, Envigado ; Resumen: Esta ponencia presenta algunos problemas encontrados en los datos de la información básica topográfica e hidrológica requerida para la modelación hidráulica en la evaluación de corrientes urbanas. Dado que estos datos afectan los resultados y la precisión de la modelación, se recomienda adoptar medidas específicas que mejoren su recopilación para que la modelación apoye de manera efectiva la gestión del riesgo por inundación. Se propone también que las principales acciones para la defensa de las inundaciones se realicen desde la planificación del territorio y no desde la intervención rígida de las corrientes, de manera que se posibilite la sostenibilidad ambiental. Palabras clave: gestión del riesgo, inundaciones, planificación del territorio, llanuras de inundación, quebrada La Marinilla 1. INTRODUCCIÓN Los ríos y quebradas son ecosistemas fluviales complejos y singulares. Requieren un estudio continuo de su dinámica natural para adquirir los elementos que respalden las medidas de protección o restauración que garanticen la sostenibilidad ambiental. La dinámica de la inundación asociada naturalmente a una corriente, da valor ecológico a su llanura en la medida en que condiciona la existencia y permanencia de una comunidad biótica particular adaptada a ese ecosistema. La planificación del territorio donde se desarrolla una comunidad humana debe considerar el aprovechamiento sostenible de los recursos físicos y bióticos. El ser humano puede transformar el espacio físico de la corriente pero esta acción le hace responsable de cómo esa transformación puede afectar la dinámica del ecosistema, generando más vulnerabilidad a las amenazas naturales existentes. La ocupación urbana de las planicies de inundación de ríos y quebradas impone restricciones al tránsito de crecientes. Debido a los cambios en la ocupación de los suelos, cada vez con mayor recurrencia suceden eventos de crecidas que angustian a la población que ha construido o habita en zonas que conforman el valle activo o el cauce del río, sin haber tenido en cuenta la función natural que esas áreas deben cumplir para recibir las crecientes (Heck y Reverter, 005). Esta situación ha llevado al grupo de investigación espiral de la Escuela de Ingeniería de 51

52 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Antioquia (EIA) al desarrollo de investigaciones para proponer metodologías y acciones para un manejo más adecuado de las corrientes, particularmente en nuestro país. En general existe en Colombia una fuerte tensión por el territorio y en especial en los municipios metropolitanos. La población ocupa las riberas a pesar de conocer el riesgo que ello le representa. Las administraciones han sido incapaces de controlar el asentamiento humano en las riberas y cada temporada invernal llegan las crecientes que afectan a la población que reclama ayudas para recuperarse del desastre. En algunos casos se declara el desalojo y se realiza la reubicación de las viviendas o locales, o se procede a la construcción de estructuras hidráulicas para control de la corriente. En esta ponencia se hará énfasis especialmente en la primera fase del proceso de evaluación de una corriente urbana. Se mostrarán algunos problemas encontrados en los datos y registros de la información básica, con el objetivo de señalar estos aspectos para que se procure su mejoramiento, de manera que no se constituyan en un obstáculo para la evaluación de las corrientes y por lo tanto para la gestión del riesgo por inundación. Se aclara que la evaluación de una corriente debe incluir más aspectos que los físicos (como los bióticos y los sociales) pero aquí nos ocupamos de estos como un caso particular de nuestro campo de investigación. También se toma como caso de estudio la quebrada La Marinilla dado que el grupo espiral participó en convenio con la Corporación Autónoma Regional Río Negro-Nare (CORNARE) en una investigación en esta corriente; sin embargo problemas similares pueden encontrarse en innumerables casos de los municipios de nuestro país. El caso de la quebrada La Marinilla es muy especial dado que aún el municipio tiene la opción de adoptar el manejo sostenible de la corriente. El objetivo principal de presentar esta situación como un caso de estudio, es justificar a las autoridades ambientales, a los institutos responsables del registro de datos, y a las administraciones municipales, departamentales y nacionales, la necesidad del mejoramiento de los datos, registros o resultados que son utilizados para los estudios técnicos. Nuestra intención es entonces impulsar una buena práctica de la gestión de la información, para que su confiabilidad sea garantía de soporte para otros estudios futuros. ANTECEDENTES DEL CASO DE ESTUDIO: QUEBRADA LA MARINILLA (ANTIOQUIA) El municipio de Marinilla ha tenido que afrontar en los últimos años frecuentes inundaciones que han afectado a la población urbana de manera significativa ocasionando importantes costos económicos. La llanura de la quebrada en la zona urbana de este municipio ha sufrido un proceso progresivo de invasión con viviendas y locales comerciales que la hacen más vulnerable a los eventos de inundación. A pesar de los estudios técnicos realizados en los últimos 15 años, hace falta definir un plan de mejoramiento y manejo del tramo de la quebrada donde se encuentra ubicado el asentamiento urbano; se observan además muchas deficiencias en la información básica topográfica e hidrológica requerida para la ejecución confiable de los modelos hidráulicos en los estudios de tránsito de crecientes y determinación de manchas de inundación necesarios para la gestión del riesgo. El proyecto llevado a cabo mediante convenio de cooperación entre la Escuela de Ingeniería de Antioquia y CORNARE en 008, tuvo como objetivo principal proponer alternativas viables y apropiadas desde el punto de vista hidráulico que contribuyeran a la gestión del riesgo de la quebrada La Marinilla y al ordenamiento y planificación del sector del municipio aledaño a la quebrada, comprendido entre el puente La Ramada y la desembocadura en el río Negro. Como antecedente crítico cercano se registra la crecida del 9 de agosto de 007 que afectó 50 construcciones alcanzando alturas de agua de hasta un metro y medio en viviendas y locales comerciales (Boletín de prensa 8-07, municipio de Marinilla)..1 Estudios realizados A continuación se presentará una descripción de los estudios técnicos realizados más relevantes con el fin de conocer la situación de la quebrada La Marinilla. En 199 se realizó el estudio Reglamentación de las llanuras de inundación asociadas a diferentes períodos de retorno y control de inundaciones de la quebrada La Marinilla. El estudio abordó la problemática de las inundaciones de los municipios El Santuario y Marinilla en los aspectos socioeconómicos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos, además de estimar el costo de las obras recomendadas. 5

53 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Con el fin de materializar las zonas de retiro y valorar las propiedades que se verían afectadas por la construcción de un canal propuesto, se realizó en 1993 un levantamiento detallado de las propiedades que se encontraban en el área definida por fajas de 30 m de ancho a ambos lados de la quebrada. En 1998 se presentó el Plan Maestro de Saneamiento del municipio de Marinilla, incluyendo el diseño de los sistemas de acueducto y alcantarillado y de la planta de tratamiento de aguas residuales. En el mismo año se presentó el estudio Plan operativo para la recuperación y manejo de la llanura de inundación de la quebrada La Marinilla. Este estudio revisó información de los estudios anteriores incluyendo el Plan Vial Municipal, en particular la propuesta para el trazado de las calles 7 y 8. También determinó los caudales asociados a diferentes períodos de retorno con el fin de compatibilizar los distintos planes propuestos para el sector en ese momento: saneamiento básico, plan vial, parque lineal (PBOT y PBOT ), manejo de zona inundable y reubicación de viviendas. En 1999 se reglamenta sobre las llanuras de inundación como zonas de conservación propias de las quebradas, reconociéndolas como parte del cauce natural, buscando garantizar la protección de la vida humana, la prevención de desastres, la sostenibilidad de los recursos naturales y la recuperación y el mejoramiento del espacio para el uso público (Oriente Positivo, número 38, septiembre-octubre 007). En el Acuerdo emitido por la Corporación Ambiental y retomado en el PBOT queda acogido como cauce natural para la quebrada La Marinilla la mancha de inundación para,33 años calculado en el estudio de reglamentación de 1998 (artículo 8 del Acuerdo 5 de 1999). Entre 000 y 00, se realizaron los diseños finales del par vial conformado por las calles 7 y 8, que se construye como alternativa vial sobre la zona y además pretende restringir el asentamiento de viviendas e infraestructura para uso comercial en las fajas de terreno comprendidas entre cada calle y la quebrada La Marinilla.. Investigación para evaluación de alternativas La EIA en convenio con CORNARE realizó una investigación en 008 con el fin de plantear alternativas viables desde la sostenibilidad ambiental para el manejo de la quebrada La Marinilla. El trabajo se realizó en tres fases: la primera, Recopilación, revisión y análisis de información, en la cual se revisó y analizó la información técnica disponible y los registros históricos para conocer la evolución del problema en los últimos 15 años. La segunda, Modelación hidráulica, en la que se llevó a cabo un estudio de modelación del tramo urbano teniendo en cuenta diferentes escenarios hidrológicos; y la tercera, Planteamiento y presentación de alternativas, en la cual se propusieron alternativas para el manejo del cauce y las llanuras de la quebrada La Marinilla y se definieron los estudios necesarios para la puesta en ejecución de esas propuestas. Este artículo se centrará en la primera fase dado que se considera importante advertir acerca del tipo de problemas encontrados en la información secundaria que incidieron en la poca confiabilidad de los resultados de las fases siguientes. En la actualidad la EIA está realizando un trabajo de investigación con recursos propios con el fin de trazar un camino en el mejoramiento de estos insumos y en los resultados de la modelación. 3. INFORMACIÓN BÁSICA PARA LA EVALUACIÓN DE LA CORRIENTE Las inundaciones son amenazas naturales propias de la evolución de una corriente de agua. En la naturaleza todo cambia; lo natural es el cambio. Aún las ciudades construidas por el hombre son cambiantes. Esto para tener presente que toda acción sobre la naturaleza implicará una respuesta de ella tarde o temprano. Las corrientes de agua son especialmente sensibles ante una intervención. El ingeniero hidráulico y particularmente el ingeniero de ríos conoce bien las consecuencias de una acción sobre el cauce de una corriente y como un cardiólogo sabe que el flujo circulatorio se altera no solo por las características del fluido sino también por las del tejido vascular. En el área metropolitana del Valle de Aburrá y especialmente en Medellín la intervención sobre las corrientes de agua ha sido muy alta, al punto que sería difícil recordar dónde puede encontrarse un tramo natural. Ni qué decir de la utilización de las corrientes como depósito de residuos y conductores de contaminantes. Será muy costoso reponer el daño que los diseños y las planificaciones han provocado en ciudades como 53

54 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Medellín. Es por eso que no podemos seguir cometiendo los mismos errores. El caso de La Marinilla pone a prueba la conciencia ambiental del ingeniero de hoy. No faltará quien piense con un criterio inmediatista que lo mejor es canalizar. Pero pensando no solo en el ahora sino en el futuro y además no solo considerando el sistema físico sino el biótico y el social es que se debe evaluar una corriente, buscando que estos tres se integren en un sistema sostenible. Como en este caso los estudios están orientados a conocer la dinámica de las inundaciones, nos ocuparemos exclusivamente de lo físico, pero queremos dejar en claro que esta es una evaluación parcial. La delimitación de las áreas inundables a partir de la modelación hidráulica requiere información geométrica, geomorfológica e hidrológica. La modelación puede hacerse para la situación actual pero también es factible diseñar un plan de restauración de la corriente y modelar para ese escenario. En todos los casos se necesitan unos datos básicos con los cuales se definen las condiciones y las características de la corriente sobre la cual se desarrolla la modelación. Por lo general en las corrientes de nuestras ciudades no se cuenta con la calidad, cantidad y actualización de la información requerida para generar un modelo confiable para la simulación del tránsito de crecientes. Aquí se presentarán algunos de estos casos con la intención de que en el futuro esta acción provoque un mejoramiento en la generación de los nuevos datos. Se presentarán algunos ejemplos de la información topográfica y de la hidrológica e hidráulica. 3.1 Información topográfica Cuando la información topográfica no está georreferenciada, y por tanto no se cuenta con coordenadas ni cotas reales, puede hacerse imposible acoplar topografías de distintos estudios. Se podría pensar que no es necesario amarrar los datos a una red geodésica durante el trabajo de campo porque en el futuro puede hacerse con la ayuda de un mapa digital. Sin embargo, los errores topográficos pueden llevar a que no haya coincidencia entre el trazado de la topografía de campo con el del mapa. La Figura 1 es un ejemplo de este problema planimétrico. Como se observa, no hay forma de que estos trazados coincidan, pues se presentan diferencias tanto longitudinales como angulares. Si bien el río es un sistema cambiante, en este caso las diferencias son debidas a problemas en los datos pues el tiempo entre la toma de unos y otros no es tan lejano como para explicarlas por cambios en la corriente. Precisamente si se tuviera certeza de la validez de los datos tomados en distintos momentos, se tendría una valiosa herramienta para determinar la evolución geomorfológica de la corriente y a partir de ello diseñar el plan de manejo apropiado. Las longitudes de los tramos de la corriente dan cuenta de la distribución de la energía y por tanto afectan los resultados de las demás variables hidráulicas como la profundidad y la velocidad. Figura.. Diferencia planimétrica entre el trazado topográfico de campo y el del mapa digital También en la altimetría se presentan diversos tipos de problemas. La batimetría de una sección transversal requiere un amarre preciso de los puntos más representativos de la sección. No basta con identificar el nivel del agua en las orillas y la máxima profundidad. La Figura es un ejemplo de esta deficiencia batimétrica. Tres puntos no son suficientes para reconstruir el perímetro mojado del cauce. La forma de la sección transversal del cauce define la superficie de fricción con el fluido y por tanto incide en el consumo de energía. 54

55 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: directo obtener el caudal a partir de datos hidráulicos como la medición del nivel de la superficie líquida. Sin embargo, se pueden identificar algunos problemas que hacen incierta la confiabilidad de estos registros. Figura. 3. Puntos batimétricos insuficientes para la reconstrucción de una sección transversal La Figura 3 es un perfil longitudinal obtenido mediante batimetría. Si bien una corriente puede presentar distintas pendientes, es bastante extraño la presencia de contrapendientes como las que pueden observarse en este gráfico. Este problema altimétrico afectará la distribución de la energía y variables tan significativas como el número de Froude que da cuenta del régimen subcrítico o supercrítico de la corriente. Figura. 4. Perfil del fondo de una corriente 3. Información hidrológica e hidráulica La información hidrológica e hidráulica básica la constituyen los datos de lluvia en la cuenca, las lecturas de nivel de la superficie líquida de la corriente y los aforos de caudal en ciertas secciones transversales. Existe una estrecha relación entre unos y otros, aunque no es una relación simple. Es recomendable contar con este conjunto de información cuando se trata de modelar una corriente con fines de gestión del riesgo por inundación. Si bien el caudal en un determinado punto de la corriente puede calcularse a partir de los datos de lluvia mediante el uso de modelos lluvia-escorrentía, los hidrólogos son conscientes de la limitación de estos modelos y por ello los resultados suelen definirse después del cálculo con varios modelos y según la situación que se analiza. El asunto es que los datos de lluvia tienen que interactuar con otras variables de la cuenca (como la geomorfología del terreno, las características del suelo, sus usos, el tipo de vegetación, etc.). Por ello podría parecer más Una vez definida la sección de la corriente donde se hará la medición del nivel de acuerdo con las recomendaciones hidráulicas, se procede a su calibración, es decir, a establecer la relación entre el nivel de la lámina y el caudal a través de la sección. Esta relación puede obtenerse mediante la realización de distintos aforos. El aforo requiere un levantamiento batimétrico de la sección, la partición de la superficie transversal del cauce en áreas más pequeñas y la medición de la velocidad correspondiente al flujo a través de cada una. Este procedimiento puede prolongarse por más de una hora presentándose variaciones en el nivel que pueden hacer inválido el aforo. Para que un aforo sea válido, el flujo de la corriente debe ser permanente durante el proceso de medición. A partir de varios aforos realizados para distintos niveles de la lámina de la corriente, se puede obtener una curva que relacione nivel (o profundidad) y caudal. Esta curva suele obtenerse mediante la técnica de mínimos cuadrados. La limitación suele estar en el rango de datos a partir de los cuales es obtenida para su futura aplicación. Por lo general los datos de caudal no incluirán situaciones extremas, en especial aquellas de las crecientes. Con otra posible situación adicional y es el cambio de sección del cauce más allá de los niveles de aforo. La Figura 4 muestra el limnígrafo y la mira instalados en la estación Puente La Feria de la quebrada La Marinilla. En este caso, la curva de calibración se definió para niveles entre 190 cm y 440 cm que corresponden a caudales entre 1,5 m 3 /s y 34,70 m 3 /s. Además de los registros del limnígrafo, un observador toma dos lecturas diarias. La mira marca una altura máxima de 500 cm. En el registro de datos se hallan lecturas que pasan este valor máximo, incluso algunos que corresponden a momentos de inundación de la llanura. En este caso la ecuación de calibración es inválida, pues además de la extrapolación hay un cambio significativo en la morfometría de la sección. Otra deficiencia se encuentra en los registros del limnígrafo. El registro continuo de nivel permite conocer el comportamiento de los hidrogramas de nivel. Si es posible disponer además de los 55

56 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: hidrogramas de lluvia en la cuenca, se hará posible la construcción o calibración de modelos lluviaescorrentía más confiables. En el caso del evento de creciente de la noche del 9 de agosto de 007 en La Marinilla, solo se recuperaron 4 registros de distintas horas que no hacen posible la reconstrucción del hidrograma completo. Investigaciones anteriores (Gómez, 1999) han demostrado que la definición de las manchas de inundación a partir de modelación de flujo permanente difiere de manera considerable de las manchas obtenidas a partir de un tránsito de creciente. 3.3 Consecuencias para la modelación de las crecientes y el diseño de alternativas Los problemas referidos en la información básica son un obstáculo para la apropiada modelación de las crecientes y para el diseño de alternativas. En los casos de las corrientes urbanas donde la tensión por la ocupación del territorio es una situación de difícil control, una buena información sería una herramienta útil no solo para la planificación del territorio sino además para el diseño de sistemas de alerta. El diseño de alternativas puede convertirse en una aventura irresponsable que puede llevar a decisiones equivocadas con pérdidas económicas y ambientales irremediables. 3.4 Análisis de la evolución en el uso del territorio Figura. 5. Limnígrafo y mira en una sección de la corriente. En el caso de La Marinilla, los registros de nivel en la estación Puente La Feria, muestran que los caudales de inundación están muy cercanos al período de los,33 años. Los ejemplos anteriores pretenden mostrar a las corporaciones ambientales y a las administraciones públicas la importancia que debe darse a los registros de la información básica con el fin de posibilitar el ejercicio de la modelación hidráulica como una herramienta de la gestión del riesgo. Sin embargo no es la única vía para el análisis de la situación. Si se entiende la corriente natural como un sistema que comprende más que el cauce y la llanura, puede comprenderse que el uso del territorio cercano y aún lejano a la corriente impacta sobre su dinamismo y afecta su sostenibilidad. Por tanto, la situación del territorio es también una información básica que debe considerarse en este análisis. Dice Lavell (000) que los procesos y eventos naturales establecen límites o fronteras naturales al desarrollo de la sociedad y de las ciudades. Son inmutables en gran medida, a pesar de que la tecnología permite en determinadas circunstancias, una modificación de su comportamiento e impacto en la sociedad. La reducción de la vulnerabilidad en las ciudades y la promoción de esquemas que garanticen mayor seguridad en el futuro, requieren un compromiso político y una institucionalidad consecuentes con tales objetivos. Esto significa la existencia de políticas, normas e instrumentos de control legal apropiados. Las figuras 5 a la 8 muestran cómo ha evolucionado la ocupación del territorio desde 199 a pesar de la identificación de las zonas de inundación natural de la quebrada desde esa época. 56

57 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura. 8. Quebrada La Marinilla, sector del puente La Avenida Figura. 6. Quebrada La Marinilla entre los puentes La Ramada y La Feria Figura. 7. Quebrada La Marinilla aguas abajo del puente La Ramada Figura. 9. Quebrada La Marinilla, sector del puente La Feria en 199 y

58 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Como puede concluirse, es necesario implementar medidas de recuperación del espacio de la llanura de inundación de la quebrada La Marinilla y fortalecer las medidas de control necesarias para impedir la construcción en esta zona. Después de evaluar distintas alternativas para la gestión del riesgo por inundación en La Marinilla, el grupo espiral de la Escuela de Ingeniería de Antioquia ha recomendado el mejoramiento de la información básica y ha querido además contribuir en este proceso mediante un proyecto con recursos propios que se ejecuta en la actualidad. La propuesta es clara: realizar un análisis técnico confiable y evaluar las alternativas partiendo de la sostenibilidad ambiental, es decir, la restauración de la corriente y la recuperación de su sistema biótico. Una solución en esta dirección proporcionará a la población del municipio un espacio más conciliador con la naturaleza y marcará un camino diferente en el manejo de las corrientes urbanas. 4. CONCLUSIONES Se presentan varios ejemplos de problemas en los datos de la información básica principalmente topográfica e hidráulica que se requiere para la modelación hidráulica de las corrientes, por los cuales se hace incierto entregar resultados confiables y utilizarlos como herramienta para la gestión del riesgo por inundación. En la gestión del riesgo por inundación, además del diagnóstico y el planteamiento de alternativas hidráulicas es necesario desarrollar un análisis del territorio de la corriente para implementar medidas de recuperación y fortalecer las de control de la ocupación. RECONOCIMIENTOS El grupo espiral agradece el apoyo de la Escuela de Ingeniería de Antioquia y de CORNARE, y la participación de los profesionales José Javier Jaramillo, Francisco Jaime Mejía y Luz Stella Vélez. REFERENCIAS A. C. P. Ltda. (199). Reglamentación de las llanuras de inundación asociada a diferentes períodos de retorno y control de inundaciones de la quebrada Marinilla. Alfa & Omega Ingenieros Ltda. (000). Rediseño de la calle 7, entre la carrera 30 y la carrera 38. Informe final. Alfa & Omega Ingenieros Ltda. (001). Rediseño de la calle 8 a la altura de la urbanización Villas del Sol. Informe final. Alfa & Omega Ingenieros Ltda. (00). Actualización de la afectación predial de la vía arteria la 8, desde la urbanización Villas del Sol hasta la granja del Politécnico Colombiano (contrato de consultoría No. 00 de noviembre 19 de 00). Informe final. Alfa & Omega Ingenieros Ltda. (003). Estudio hidrológico e hidráulico de la quebrada La Marinilla y estudio de impacto ambiental para la construcción de un puente vehicular a la altura de INRAVISIÓN en la conexión vial antigua vía el tranvía calle 8 (contrato de consultoría no. 063 de 003). Informe final. Barros M., Juan Fernando, Vallejo G., Luz Eliana. Metodología para evaluación de la condición de corrientes urbanas. En: Revista EIA 7 (julio 007). Medellín: Escuela de Ingeniería de Antioquia, 007, p ISSN Consorcio Guillermo León Gómez Rendón GEA Ambiental (1998). Plan operativo para la recuperación y manejo de la llanura de inundación de la quebrada La Marinilla. Informe final. Cornare. Acuerdo del Consejo Directivo de Cornare No. 5 de 5 mayo de Lineamientos ambientales para la reglamentación de las llanuras de inundación de las principales corrientes hídricas en las cabeceras urbanas de la subregión de los Valles de San Nicolás en el Oriente del Departamento de Antioquia. Escuela de Ingeniería de Antioquia, Cornare (008). Evaluación de corrientes urbanas. Caso: quebrada La Marinilla (Antioquia). Convenio Gómez, Paula (1999). Rompimiento de persas de tierra por erosión. Análisis y aplicación. Trabajo de grado para optar al título de ingeniera ambiental. Escuela de Ingeniería de Antioquia. Google. Software Google Earth versión Imágenes consultadas en octubre

59 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Heck, Jorge Pedro y Reverter, Marcelo (005). Estabilización de márgenes y recuperación de riberas. Arroyo Ñireco- San Carlos de Bariloche. En: Ríos 005: principios y aplicaciones en hidráulica de ríos, Argentina. Disponible en internet: Estabilizacion_M argenes.pdf Lavell, A. (000) Desastres urbanos: una visión global. Panamá: Facultad Latinoamericana de Ciencias Sociales. 11 p. Disponible en Internet: Municipio de Marinilla. Acuerdo Municipal No. 75 de 000. Plan Básico de Ordenamiento Territorial Municipio de Marinilla. Acuerdo Municipal No. 98 de 007. Plan Básico de Ordenamiento Territorial Ajuste de largo plazo del Plan Básico de Ordenamiento Territorial República de Colombia. Decreto 1504 de agosto 4 de Por el cual se reglamenta el manejo del espacio público en los planes de ordenamiento territorial. Disponible en internet: etosnacionales/decreto1504de1998.doc Sanear Ltda. (1998). Plan maestro de acueducto y saneamiento urbano de Marinilla-Antioquia. CORNARE y municipio de Marinilla. Universidad Nacional de Colombia (007). Levantamiento del perfil batimétrico de un sector de la quebrada La Marinilla desde el puente de los Alcaravanes hasta su desembocadura; y del rio Negro, desde la desembocadura de la quebrada La Marinilla hasta la bocatoma del proyecto Río Abajo. Trabajo desarrollado por los ingenieros Liliam Posada y Remberto Rhenalds de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. SCs como ha sido reportado por otros autores (Pineda y Londoño,009). 59

60 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: PUEDE EL ALGINATO CONVERTIR UNA CÉLULA MADRE EN UNA CÉLULA DE CARTÍLAGO? Natalia Zapata Linares, Catalina Pineda Molina, Carolina Londoño Peláez 1 Programa de Ingeniería Biomédica, Escuela de Ingeniería de Antioquia-Universidad CES, Carrera 43ª # 5 sur-99, Resumen: Para la ingeniería de cartílago se ha incrementado el uso de células madre de diferentes fuentes para reducir el riesgo que conlleva la implantación de condrocitos autólogos, en la reparación de defectos de este tipo de tejido. Estudios realizados por otros autores, han comprobado que el alginato induce el fenotipo condrocítico in vitro, lo cual se evidencia en su morfología. En este estudio se comprobó la influencia del alginato en la morfología y perfil proteico de las células madre derivadas de lipoaspirado (ADAS) usando tinciones funcionales y topográficas de caracterización de tejidos. Palabras clave: células madre, tejido Adiposo, cartílago, alginato. 1. INTRODUCCIÓN Después de una lesión, el cartílago articular tiene una capacidad muy limitada de auto-regeneración, ya que no es penetrado por vasos sanguíneos ni linfáticos (Martin et al., 004; Bryant and Anseth, 001). Entre las técnicas más utilizadas para la reparación de lesiones del cartílago articular se encuentran los trasplantes de tejido autólogo o heterólogo, sin embargo, su problema es la dificultad para encontrar donantes compatibles, la obtención de un fragmento cartilaginoso de tamaño y forma adecuados y el riesgo de morbilidad e infección que conlleva el procedimiento quirúrgico al que se debe someter tanto el paciente como el donante (Martin et al., 004; Bryant and Anseth, 001) La ingeniería de tejidos propone metodologías para el cultivo de células en matrices tridimensionales de diferentes biomateriales, con el fin de generar sustitutos con la funcionalidad del tejido in vivo, lo cual proporciona a la medicina un tratamiento alternativo para las lesiones de cartílago articular (Gaissmaier et al., 005). Con el fin de conservar el fenotipo condrocítico y generar tejido cartilaginoso uniforme y de tamaño definido in vitro, a partir de células humanas, es necesario identificar una fuente apropiada de células condrogénicas y luego, definir las características de las matrices tridimensionales en las que estas células se cultivarán (Jin et al., 007; Lee et al., 004). 60

61 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: En cuanto a la fuente celular, varios autores han asegurado que las células madre derivadas de lipoaspirado (ADAS) tienen un alto potencial de diferenciación hacia el linaje condrogénico ya que pueden sintetizar una matriz extracelular propia del tejido cartilaginoso bajo condiciones controladas de cultivo (Lin et al., 005; Erickson et al., 00). Otros autores, han encontrado que el tejido formado después de la condrogénesis con estas células tiene características similares al cartílago hialino encontrado in vivo, cosa que no ocurría con los sustitutos construidos a partir de condrocitos adultos (Beris et al., 005). Por otro lado, se ha comprobado que los biomateriales usados en el cultivo de células madre pueden tener una alta influencia en su crecimiento y diferenciación, especialmente en la expresión del fenotipo condrogénico in vitro que se evidencia en la síntesis de una matriz extracelular (MEC) característica y en la conformación de una morfología redondeada (Awad et al., 003; Betrea et al., 006; Diduch et al.,, 000). Dentro de los biomateriales usados, se ha escogido el alginato (Zapata et al., 007) debido a sus propiedades de biocompatibilidad y biodegradabilidad. Sin embargo, algunos grupos de investigación eligen usar el alginato por su capacidad de conservar el fenotipo condrocítico o incluso de inducirlo. Esto último ha sido demostrado por estudios donde el alginato ha causado la re-diferenciación celular en condrocitos que han perdido su fenotipo (Lee et al., 004; Bonaventure et al., 1994). El objetivo de este estudio fue determinar la influencia del alginato sobre la morfología de células ADAS que constituye uno de los aspectos del fenotipo para posibles aplicaciones en la ingeniería de tejido cartilaginoso a nivel local.. METODOLOGÍA Y RESULTADOS En esta investigación se realizó la extracción de células ADAS a 1 pacientes que se sometieron a cirugía de liposucción para fines estéticos (Figura. 1A), los cuales firmaron previamente el consentimiento informado entregado por el personal médico. Después de realizar el aislamiento por medio de enzimas de las células ADAS (Figura. 1B) se procedió a realizar la expansión por medio de un cultivo bidimensional (Figura. 1C), utilizando frascos de cultivo T75 e incubando las células a 37 C bajo una atmósfera húmeda y 5% de CO. Las muestras de todos los pacientes evidenciaron la presencia de dos grupos celulares con morfología fibroblastoide y aplanada (Figura. 1D) típica de las SCs como ha sido reportado por otros autores (Pineda y Londoño, 009). Figura. 1 Diagrama de flujo de la metodología empleada con los resultados obtenidos para cada fase. A) Muestra inicial de lipoaspirado de un paciente, B) Botón celular después de la digestión enzimática, C) Células ADAS a los 4 días de cultivo 10X, D) Células ADAS a los 8 días de cultivo 0X, E) Células ADAS emebebidas en una esfera de alginato 4X, F) Encapsulación de células ADAS con morfología redondeada 0X, G) Tinción con Yoduro de propidio y Hoechst que evidencian la morfología redondeada adquirida por las célilas ADAS después de la encapsulación, H) Tinción con Safranina O, el color rojizo evidencia la acumulación de proteoglicanos. Después del día 10 de cultivo las células ADAS fueron encapsuladas en esferas de alginato (Figura. 1E). Las células se mezclaron en una solución estéril de alginato de sodio, la mezcla se dispensó por goteo sobre una solución de gelificación en agitación magnética moderada y continua hasta la polimerización y formación de las esferas. Se sembraron aproximadamente 5 esferas por pozo, en platos de 1 pozos con medio de crecimiento, incubadas a 37 C bajo una atmósfera húmeda y 5% de CO. Al finalizar el proceso de polimerización evidenciaron un cambio inmediato desde una morfología fibroblastoide (Figura. 1C) o aplanada a una morfología redondeada (Figura. 1F). Este cambio se observó al microscopio de contraste de fase durante el mantenimiento del cultivo. Al día 61

62 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: diez de la encapsulación se realizó la tinción con yoduro de propidio y Hoechst donde se ve claramente el citoplasma redondeado que adoptaron las células ADAS después de la encapsulación (Figura. 1G). Finalmente, las esferas fueron coloreadas con Safranina O que tiene afinidad por los proteoglicanos presentes en abundancia en el tejido condrogénico sano in vivo. En el presente estudio se encontraron estas proteínas en los cultivos de células ADAS en esferas de alginato de manera similar a la reportada por otros autores, los cuales utilizaron factores de inducción de uso común en diferenciación de células madre hacia el linaje condrogénico (Fuentes, 008). Estos resultados evidencian la posible propiedad del alginato para inducir la diferenciación condrogénica en células madre. Sin embargo, es necesiario realizar estudios de cuantitativos de caracterización fenotípica a nivel transcripcional con RT-PCR y a nivel traduccional con Western Blot. 3. CONCLUSIONES Según lo encontrado en este estudio la encapsulación en geles de alginato de sodio podría inducir la diferenciación hacia el linaje condrogénico de células ADAS, lo que constituiría un método de inducción de bajo costo comparado con los utilizados hasta ahora que involucran factores de crecimiento. Sin embargo, se hacen necesarios más estudios que comprueben cuantitativamente esta hipótesis. RECONOCIMIENTOS Los autores agradecen a la Escuela de Ingeniería de Antioquia y a la Universidad CES por los recursos aportados para la realización de este proyecto. REFERENCIAS Awad H.A., Halvorsen Y.D., Gimble J.M., Guilak F. (003). Effects of transforming growth factor beta1 and dexamethasone on the growth and chondrogenic differentiation of adipose-derived stroma1 cells. Tissue Eng; 9, Beris A., Lykissas M., Papageorgiou C., Georgoulis A. (005). Advances in articular cartilage repair. Injury, Int. J. Care Injured, 36S, S14 S3. Betrea H., Onga S., Guilaka F., Chilkotia A., Fermorb B., Settona L. (006). Chondrocytic differentiation of human adipose-derived adult stem cells in elastin-like polypeptide. Biomaterials, 7, Bonaventure J., Kadhom N., Cohen-Solal L., Ng K. H., Lasselin C. and Freisinger P. (1994). Reexpression of cartilage-specific genes by dedifferentiated human articular chondrocytes cultured in alginate beads. Exp Cell Res, 1, Bryant S.J. and Anseth K.S. (001). The effects of scaffolds thickness on tissue engineered cartilage in photocrosslinked poly (ethylene oxide) hydrogels. Biomaterials,, Diduch D., Jordan L., Mierisch C., Balian G. (000). Marrow Stromal Cells Embedded in Alginate for Repair of Osteochondral Defects. The Journal of Arthroscopic and Related Surgery, 16, 6, Erickson G., Gimble J., Franklin D., Rice H., Awad H., F. Guilak. (00). Chondrogenic Potential of Adipose Tissue-Derived Stromal Cells in Vitro and in Vivo. Biochemical and Biophysical Research Communications, 90, Fuentes M. Optimización del sistema de cultivo y caracterización de células madre mesenquimales obtenidas a partir de médula ósea humana, Tesis de grado, Bacterióloga, Universidad Pontificia Javeriana, 008. Gaissmaier C., Fritz J., Krackhardt T., Flesch I., Aicher W.K., Ashammakhi N. (005). Effect of human platelet supernatant on proliferation and matrix synthesis of human articular chondrocytes in monolayer culture and three-dimensional alginate cultures. Biomaterials, 6, Jin X., Sun Y., Zhang K., Wang J., Shi T., Ju X., Lou S. (007). Ectopic neocartilage formation from predifferentiated human adipose derived stem cells induced by adenoviral-mediated transfer of htgf beta. Biomaterials, 8, Lee J., Kim Y., Kim S., Han S., Hahn S. (004). Chondrogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells an Its Clinical Applicacitions. Yonsei Medical Journal, 45, Lin Y., Luo E., Chen X., Liu L., Qiao J., Yan Z., Li Z., Tang W., Zheng X., Tian W. (005). Molecular and cellular characterization during chondrogenic differentiation of adipose tissue-derived stromal 6

63 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: cells in vitro and cartilage formation in vivo. J. Cell. Mol. Med, 9, 4, Martin I., Wendt D. and Heberer M. (004). The role of bioreactors in tissue engineering. Trends Biotech,, Pineda C. y Londoño C. (009). Obtención de células madre del tejido adiposo y su potencial de diferenciación osteogénico. Revista Ingeniería Biomédica, 3, 5, Zapata Linares NM, Zuluaga Peláez NJ, Betancur Gallego SN, López Rojas LE. (007). Cultivo de tejido cartilaginoso articular: acercamiento conceptual. Revista EIA, 8,

64 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: EL MUSEO DE CIENCIAS COMO UN CAMINO PARA EL CAMBIO SOCIAL Juan Fernando Barros Martínez Escuela de Ingeniería de Antioquia Calle 5 sur 4-73, Envigado Envigado Estudiante de Doctorado en Educación, Universidad de Antioquia, Grupo GECEM Resumen. Este artículo hace un ligero pero amplio recorrido por el tema de los museos de ciencias con el propósito de reconocer su misión educativa y su papel en la sociedad. Se presentan diversos artículos y proyectos que dan cuenta de la cantidad de investigaciones de distintos aspectos museográficos, desde los objetos hasta los visitantes y se propone finalmente el diseño de unidades didácticas más orientadas a las problemáticas ambientales o sociales con el propósito de construir un camino para la generación de un cambio social para un mundo mejor. Palabras clave: museos de ciencias, educación no formal, cambio social. 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este artículo es presentar un panorama de la función de los museos no solo como divulgadores, sino en su relación con otras instituciones como la escuela. Se parte de la propuesta de que el museo es una institución desde la cual y con la cual se puede promover el cambio social. El recorrido que pueda hacerse aunque de manera concisa en esta presentación pretende dar cuenta de ello. Nos enfocaremos principalmente en los museos de ciencias, no porque los demás tengan menor importancia sino porque nuestro interés es motivar a las administraciones municipales (en particular a las del Área Metropolitana del Valle de Aburrá) para la creación de centros o museos de ciencias donde además de la atención al público general, se realicen actividades donde se reúnan estudiantes de escuelas, colegios y universidades, alrededor de temas específicos o unidades didácticas, de manera que puedan enriquecer su actividad en las clases y que propicien momentos de interacción sociocultural, contribuyendo así a la construcción de una sociedad más abierta y más humanizada. La presencia de un museo de ciencias para una o para varias municipalidades tendría en todo caso una ventaja presupuestal, pues ofrece a las escuelas y colegios tanto públicos como privados, herramientas didácticas que difícilmente muchas de esas escuelas o colegios podrían tener por cuenta propia. El proyecto de museo se perfila entonces como un proyecto sociocultural que reúne diferentes actores públicos y privados. En Colombia son especialmente escasos los museos de ciencias y el acceso del público no alcanza a ser 64

65 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: todavía el deseado, a pesar de las políticas de apoyo a las clases sociales menos favorecidas o a los programas itinerantes. Para conocer cuál es realmente la participación educativa de los museos en la población estudiantil, se necesitarían indicadores no solo de acceso o entrada al museo sino de evaluación educativa, de manera que no sean simplemente datos absolutos de visitantes al museo sino del tipo de qué unidades del currículo escolar se atienden, o cómo la visita produjo un cambio en el estudiante (y hasta en el profesor) hacia algún aspecto de la ciencia; esto es, unos indicadores cuantitativos relativos y en ciertos casos cualitativos, que mejor revelen el aporte del museo a la educación. Suele dar mucho escozor a algunos académicos el tener que diferenciar la educación formal de la no formal y además de la informal, y no queremos aquí entrar en esa discusión. Valga decir que es por lo menos valioso que se pueda contar con la existencia de un museo de ciencias, pero que también es posible obtener cada vez mayores beneficios si aprovechamos esa presencia y la enriquecemos con intencionalidades educativas más allá de lo que puede ser la función de un medio de comunicación (que también cumplen su función educativa). En todo caso es bien aceptado que la denominada educación formal no es la única vía para el aprendizaje. Si nos atenemos además al gran abanico de los modelos pedagógicos, o de las didácticas educativas, tendríamos que reconocer que entre el modelo pedagógico del museo y el de una institución educativa podrían darse encuentros o desencuentros de acuerdo con los enfoques de uno y otra. Es posible además que en un mismo lugar se reúnan a su vez esos diversos enfoques, nos referimos a que es posible que el visitante al museo se encuentre con un tipo de ruta inductivista, o de carácter deductiva, quizás de corte positivista, o que propone actividades más de tipo constructivistas. Y si es una institución la que realiza la visita con un grupo, lleva consigo otra serie de posturas pedagógicas que se deben enfrentar a las propias del museo. Esto podría llegar a ser un gran obstáculo para un profesor que quiera planear una visita de cierto corte pedagógico y que luego se halle con la sorpresa de que no es posible desarrollar lo que planeaba. Incluso, por más desprevenido que sea el visitante, también él lleva implícita una motivación para la visita al museo, que siguiendo por ejemplo la clasificación que hace Falk et al (008), podría estar enmarcada según cinco características: el explorador o curioso; el facilitador; el especialista (por hobby o por profesión); el buscador de experiencias; y el visitante contemplativo que quiere llenarse espiritualmente. Quizás uno de los mayores atractivos del museo es ser un lugar de encuentro. El mismo Consejo Internacional de Museos (ICOM por sus siglas en inglés) le da consideración de museo a las instituciones como jardines botánicos y zoológicos entre otras, cuando en su definición expresa que Un museo es una institución permanente, sin fines de lucro, al servicio de la sociedad y de su desarrollo, y abierta al público, que se ocupa de la adquisición, conservación, investigación, transmisión de información y exposición de testimonios materiales de los individuos y su medio ambiente, con fines de estudio, educación y recreo (ICOM, 007). Y es precisamente en este lugar de encuentro donde se puede iniciar un proceso de cambio social.. EL MUSEO Y SU RELACIÓN CON LA ESCUELA Según Lewis (Boylan, 007) los primeros museos públicos aparecen en el marco del enciclopedismo del Siglo de las Luces europeo. En 1683, la universidad de Oxford creó el Ashmolean Museum, considerado el primer museo universitario del mundo abierto de manera regular al público; luego fueron inaugurados el British Museum en Londres en 1759, y el Louvre en París, en La relación entre el museo y la escuela se remonta a una larga tradición. En Alemania por ejemplo, en 186 ya se invitaba a los niños a participar en las lecciones de los domingos del Museo de Senckenberg de Fráncfort del Meno según lo refiere Fingirle. A finales del siglo XIX y principios del XX, los museos de ciencias e historia natural tenían un papel primordial en la apertura de colecciones y exhibiciones para el gran público y en la formulación de una misión educativa. En Munich, Oskar von Miller fundó en 1903 el Deutsches Museum de Obras Maestras de Ciencia y Tecnología con el objetivo de explicar la evolución en estos campos a una audiencia más amplia. Se asumía que mostrar las máquinas en movimiento ayudaba a entender mejor su funcionamiento. Se hicieron dioramas con una gran pasión por el detalle para mostrar exhibiciones en su entorno original, mientras que las réplicas, las demostraciones y los experimentos pretendían avivar la curiosidad del visitante, el sentido del esfuerzo y el 65

66 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: interés por los fenómenos científicos. Miller recibía el apoyo de Georg Kerschensteiner, que en ese momento era un conocido profesor y director de un nuevo movimiento pedagógico, la Arbeitsschule (Escuela del Trabajo, teoría pedagógica basada en una estrecha unión entre la teoría y la práctica educativas). Influido por John Dewey, Kerschensteiner quería fomentar la Anschaulichkeit (concepto de claridad, base fundamental del movimiento educativo progresista) en las escuelas, algo que actualmente se encuentra de nuevo en un primer plano. Estaba convencido de que el museo podía contribuir en gran medida a la educación utilizando la Anschaulichkeit (entre otros métodos) en una era en la que el concepto de nuevo museo atraía tanto al gran público como a muchos centros escolares (Weber, 003). En 1900, John Dewey publica el libro La Escuela y La Sociedad. Dewey, Kerschensteiner y otros adoptaron el punto de vista de la Pedagogía Social, que reconoce a la educación como una función social y de que el individuo se educa mediante la comunidad como lo planteaba Pestalozzi (Barnes, 199). Llegando a los tiempos actuales Hooper-Greenhill anota en Museums and the Interpretation of Visual Culture (00) que se ha profundizado y ampliado el concepto de educación, admitiéndose que la enseñanza y el aprendizaje no se limitan a las instituciones formales, sino que tienen lugar a lo largo de toda la vida y en un número indefinido de espacios informales. Los procesos educativos formales representan tan sólo una pequeña parte, no siempre muy eficaz, de los procesos de aprendizaje que son necesarios durante la vida y que conllevan tanto a la adquisición de conocimiento y experiencia como al uso de aptitudes y conocimientos existentes. También estudios demuestran que las escuelas constituyen el grupo destinatario prioritario para los museos, seguido de los turistas y los niños en general, a pesar de que las visitas a los museos no suelen durar mucho tiempo comparado con el que pasan los alumnos en las clases en el colegio. Los museos están interesados en su relación con los centros escolares y en la forma en que ambos pueden cooperar para cumplir su común tarea educativa. Qué papel debe o puede desempeñar el museo en esta relación? El papel puede ir desde el museo como clase especial, siendo una mera prolongación de la escuela y utilizando los mismos métodos, hasta el museo como herramienta educativa siendo un método de apoyo y un complemento del aprendizaje y la enseñanza escolar. (Weber, 003) Aunque el entorno más apropiado para aprender es en el que se anima al alumno a pensar, deducir, elaborar hipótesis, criticar, especular, evaluar, imaginar y crear; y la estrategia más adecuada para el profesor es hacer que los alumnos se ocupen de varios tipos de investigaciones que requieran el uso de todas sus aptitudes investigadoras, la mayoría de las escuelas carecen del material necesario para ese tipo de procesos educativos. Por ello, los museos y sus colecciones pueden ser verdaderos tesoros para las escuelas, ya que ofrecen no sólo el material sino también las oportunidades para experimentar y aprender investigando. Otro aspecto muy importante referente al valor de los museos es la presencia de los objetos, las cosas reales que sirven de base al museo para ofrecer la posibilidad de hacer nuevas interpretaciones. En este sentido, el museo alcanza un alto grado de Anschaulichkeit mostrando cosas en su tamaño real o en forma de reproducción reducida o ampliada. Los alumnos pueden ver, oler, a veces incluso tocar los diferentes materiales de los que están hechos los objetos. La autenticidad del objeto real provoca admiración, curiosidad, el deseo de tocar y toda esta variedad de reacciones anima a aprender descubriendo, mientras que la experiencia personal se convierte en el punto de partida para desarrollar el entendimiento. Los museos son lugares en los que se crean experiencias, tanto cognitivas como sociales y afectivas. Los museos ofrecen una gran variedad de posibilidades para discutir sobre un objeto y el contenido que representa, no de forma aislada sino en grupo. (Weber, 003) El museo, así sea considerado una institución de educación no formal, tiene una misión educativa, ya que todos los aspectos del museo y sus diversas actividades brindan la posibilidad de enseñar algo al público. Debido a ello, todo el personal contribuye de alguna manera a crear las condiciones que permiten aprender al visitante. El ICOM recomienda que en el marco de las funciones museísticas de cómo administrar un museo se incluyan programas de capacitación y desarrollo profesional, así como material didáctico sobre: colecciones y educación; desarrollo y administración de la educación en el museo; misión educativa del museo y su relación con la comunidad; concepción del programa pedagógico: principios elementales, selección de métodos didácticos y pedagógicos en la educación por parte 66

67 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: del museo, publicaciones, material didáctico de uso corriente en el museo; actividades fuera del museo, educación no formal. Se trata de estudiar el papel de la educación en el museo y el tipo de enseñanza que se puede impartir al público, así como la forma en que el museo puede ofrecer un marco de aprendizaje positivo al visitante. (Boylan y Woollard, 006) 3. ALGUNAS INVESTIGACIONES RELACIONADAS CON EL APRENDIZAJE EN EL MUSEO Los museos han sido conscientes de su misión formadora y de su papel mediático en el aprendizaje del visitante. Por ello, aunque la visita a un museo sea considerada libre para el público en general, los propios museos o las instituciones que los financian, han querido conocer acerca de cómo es la experiencia que vive el visitante en el museo, y a la vez cómo puede mejorarse esa experiencia. Es así como en los países mas desarrollados se han creado líneas de investigación con niveles de maestría y doctorado dedicadas a la realización de estudios relacionados con distintos aspectos del universo museístico y museográfico. Muchas investigaciones se han realizado con el fin de evaluar tanto aspectos de los objetos del museo como a los visitantes, los estudiantes, los profesores y los guías del museo. Aquí solo se presentarán unos ejemplos con el fin de ilustrar algunos casos. 3.1 Acerca del aprendizaje. Guisasola y Morentin (007) recogieron más de 30 investigaciones para revisar el papel de las visitas escolares a los museos de ciencias en el aprendizaje concluyendo a partir de esta revisión que las visitas escolares a los museos de ciencias generan actitudes positivas hacia la ciencia y el aprendizaje y afirmando que teniendo en cuenta la importancia que la enseñanza no formal está adquiriendo y los resultados de la investigación en esta área, será necesario proveer al futuro profesorado de ciencias de las habilidades y conocimientos necesarios para diseñar visitas a centros interactivos de ciencia, que produzcan en los escolares aprendizajes significativos, tanto en el aspecto afectivo y procedimental, como en el cognitivo y sociopersonal. el aprendizaje logrado en una exposición sobre el centenario de la Teoría Especial de la Relatividad donde los resultados muestran que el diseño de visita con actividades previas y posteriores a la misma resulta eficaz para aumentar la comprensión de los estudiantes y estimular su capacidad de argumentar científicamente. Falk y Storksdieck (005) estudiaron el aprendizaje del visitante utilizando el modelo de Aprendizaje por Libre Elección (Free Choice Learning) en una muestra de 17 visitantes mediante la técnica de Personal Meaning Mapping (PMM), un tipo de evaluación exploratoria de cómo evoluciona el significado de lo que se quiere conocer en la persona; también se utilizaron entrevistas, encuestas y observación de comportamiento mediante técnicas no intrusivas. Griffin (004) hizo una revisión de cómo aprenden los grupos escolares mediante la evaluación de las investigaciones realizadas en la década anterior donde reconoce que estos estudios llevan más de tres décadas realizándose. 3. Sobre la interacción social Kiesel (009) presenta un interesante estudio enmarcado en el modelo de comunidad de práctica entre las instituciones de educación no formal y las escuelas. Atkins et al (009) con 100 grupos de visitantes (unos 557 individuos) analizaron en una exhibición, el efecto de las etiquetas o del texto que acompaña a la exhibición y a los objetos, sobre la participación del visitante la interacción social y con los objetos en sí. Hooper Greenhill et al. (007 presentan los resultados de 17 proyectos de investigación llevados a cabo en Inglaterra donde desde 1999 se vienen desarrollando programas con museos nacionales y regionales para incrementar y profundizar las relaciones entre los museos y las escuelas, con miras a fortalecer a sus vez las relaciones entre los museos y la comunidad. Los proyectos abarcaron investigaciones en 1 museos nacionales y 50 regionales. Guisasola et al. (007) analizaron una visita de estudiantes de primer curso de Ingeniería y evalúan 67

68 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Afonso y Gilbert (007) investigaron en 15 visitantes al museo el efecto de distintos tipos de exhibiciones. Aguirre y Vásquez (004) analizaron desde una propuesta educativa constructivista modelos planteados por expertos investigadores del ámbito museístico. Como estos existen numerosos estudios que muestran la estrecha relación y el gran desarrollo que ha tenido en las últimas décadas la relación educativa entre los museos y las escuelas, vale decir, entre la educación no formal y la formal. 4. ALGUNAS PROPUESTAS TEMÁTICAS PARA UN CAMBIO SOCIAL Aunque los objetos de museo suelen organizarse por temáticas o áreas disciplinares, una opción alternativa sería diseñar unas rutas temáticas relacionadas con una problemática particular, bien sea por ejemplo un asunto ambiental o social. De esta manera la exhibición estaría conformada por objetos de diferentes disciplinas que confluyen en una problemática común. Así el visitante tendría la oportunidad de observar más que cada objeto, el sistema que los reúne y sobre todo, que los relaciona. También el museo puede responder específicamente a los 4 pilares fundamentales de la educación según el informe Delors a la UNESCO, esto es: aprender a hacer, aprender a saber, aprender a convivir y aprender a ser (Delors, 1996). Gil-Pérez et al (004) presentan una propuesta concreta para transformar los museos con el fin de que puedan contribuir a la formación ciudadana para hacer frente a la actual situación de emergencia planetaria a partir del nuevo concepto de "glocalidad", como expresión de la estrecha vinculación entre los problemas globales del planeta y los locales de cualquier región. Siguiendo esta idea, González (007) desarrolla su investigación doctoral de donde parte advirtiendo que uno de los impulsos de su investigación es dar respuesta al llamamiento de Naciones Unidas a los educadores de todas las áreas y niveles, tanto de la educación formal como de la no formal, para que contribuyan a la formación de una ciudadanía consciente de la situación de emergencia planetaria y preparada para participar en la toma de decisiones fundamentadas. Justifica la relevancia de una investigación centrada en el papel que pueden jugar con este objetivo los museos de ciencias; presenta con detenimiento la actual situación de emergencia planetaria, sus causas y posibles medidas para hacerle frente; analiza 30 museos de 8 países diferentes de acuerdo a diversos temas como desarrollo sostenible, el crecimiento poblacional y sus diferentes consecuencias, la diversidad cultural, los conflictos humanos, los desequilibrios, los derechos humanos y otros; además analiza bajo los mismos aspectos 13 artículos recopilados de revistas de didáctica de las ciencias referidos al uso educativo de los museos de ciencia en el período ; finalmente, presenta algunos ejemplos con los que muestra la posibilidad de que los museos de ciencias contribuyan de manera permanente a la educación ciudadana. Experiencias como las anteriores permiten proponer de manera justificada la creación de más museos de ciencias en regiones como el Área Metropolitana del Valle de Aburrá donde además de asuntos temáticos de los currículos de ciencias se desarrollen unidades relacionadas con problemas regionales desde donde se comiencen a presentar acciones para que entre las administraciones y la ciudadanía se construyan lugares de encuentro que posibiliten el desarrollo de esas acciones de mejoramiento. Problemas como el manejo de corrientes urbanas, las inundaciones, la movilidad, la contaminación, el manejo de residuos, son temas que pueden desarrollarse como rutas didácticas donde la población tenga la oportunidad de recibir en forma clara y contundente una postura que oriente hacia lo que pudiera ser un mejor manejo de estas situaciones. Un ejemplo de museo diseñado exclusivamente con una temática dedicada al desastre natural es el de Johstown Flood Museum, construido en la población de Johstown (Pennsylvania) para no dejar en el olvido la tragedia que en 1889 se llevó la vida de.09 personas. El proyecto que se propone reuniría varios actores como universidades, investigadores, maestros, centros de ciencia y de tecnología, asociaciones escolares y por supuesto las administraciones públicas. No es una idea nueva como puede deducirse de los artículos presentados a lo largo de este artículo, es más bien una idea latente cuya realización ayudaría a provocar un cambio social comenzando desde lo municipal y regional. 68

69 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CONCLUSIONES Innumerables estudios e investigaciones realizadas en el espacio de los museos, permiten partir de una base sólida para la planeación de los diversos elementos que se reúnen en esta institución, desde los objetos didácticos hasta las diferentes consideraciones hacia los visitantes. Los museos son instituciones que han evolucionado con los cambios de la humanidad y hoy en día son considerados protagonistas en la educación del individuo, la comunidad y la sociedad. Por ello es justificado proponerlos como un camino para la transformación del cambio social. RECONOCIMIENTOS El presente artículo resume una buena parte de las consultas llevadas a cabo en los estudios de Doctorado en Educación con Énfasis en Enseñanza de las Ciencias que el autor cursa en la Facultad de Educación de la Universidad de Antioquia con la tutoría del Grupo GECEM. Algunos de los artículos fueron analizados durante la pasantía en Pennsylvania State University que estuvo bajo la orientación del Doctor Gregory Kelly a quien de manera especial expreso mis agradecimientos. REFERENCIAS Afonso, Ana S.; Gilbert, John K. (007). Educational value of different types of exhibits in an interactive science and technology center. Science Education. Volume 91, Issue 6, Pages DOI /sce.00. Aguirre Pérez, Constancio y Vázquez Moliní, Ana María (004). Consideraciones generales sobre la alfabetización científica en los museos de la ciencia como espacios educativos no formales. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias Vol. 3 Nº 3. Disponible en Internet: Atkins, Leslie j.; Velez, Lisanne; Goudy, David; Dunbar, Kevin N. (009). The unintended effects of interactive objects and labels in the science museum. Science Education. Volume 93, Issue 1, Pages DOI /sce.091. Barnés, D. (199). Prólogo", en J. Dewey, La Escuela y La Sociedad. Francisco Beltrán, Madrid. Boylan, Patrick (007) Cómo administrar un museo: manual práctico. UNESCO e ICOM. Disponible en Internet: s.pdf Boylan, Patrick; Woollard, Vicky (007) Manual del instructor. Para ser utilizado con Cómo administrar un museo: manual práctico. UNESCO e ICOM. Disponible en Internet: S.pdf Falk, J. H.; Heimlich, J. & Bronnenkant, K. (008). Using identity-related visit motivations as a tool for understanding adult zoo and aquarium visitor s meaning making. Curator, 51 (1), Pp Falk, John; Storksdieck, Martin (005). Using the contextual model of learning to understand visitor learning from a science center exhibition. Science Education. Volume 89, Issue 5, Pages DOI /sce Gil-Pérez, Daniel; Vilches Amparo Y González, Mario (004). Museos para la "glocalidad": una propuesta de museo que ayude a analizar los problemas de una región dada en el marco de la situación del mundo. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias. Vol. 1, Nº, p Disponible en Internet: 1_Num_.htm González Morales, Mario Helí (007). Papel de los museos de ciencias en el tratamiento de los problemas del mundo. Tesis para optar el grado de Doctor en Ciencias Físicas. Universitat de Valencia. Departament de didàctica de les ciències experimentals i socials. Disponible en Internet : Griffin, Janette (004). Research on students and museums: Looking more closely at the students in school groups. Science Education. Volume 88 (Suppl. 1):S59-S70. DOI /sce Guisasola, Jenaro y Morentin Pascual, Maite (007). Qué papel tienen las visitas escolares a los museos de ciencias en el aprendizaje de las ciencias? Una revisión de las investigaciones. Revista Enseñanza de las Ciencias. Vol. 5, No. 3, p

70 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Guisasola, Jenaro; Solbes, Jordi; Barragués, José Ignacio; Moreno, Antonio y Morentin, Maite (007). Comprensión de los estudiantes de la teoría especial de la relatividad y diseño de una visita guiada a un museo de la ciencia. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias. Número 4 (1), p Cádiz, España. Disponible en Internet: Hooper-Greenhill, Eilean; Dodd, Jocelyn; Creaser, Claire; Sandell, Richard; Jones, Ceri; Woodham, Anna (007). Inspiration, Identity, Learning: The Value of Museums Second Study An evaluation of the DCMS/ DCSF National/ Regional Museum Partnership Programme in Research Centre for Museums and Galleries (RCMG), Department of Museum Studies, University of Leicester, UK. Disponible en Internet: html Hooper-Greenhill, Eilean; Dodd, Jocelyn; Gibson, Lisanne; Phillips, Martin; Jones, Ceri; Sullivan, Emma (006). What did you learn at the museum today? Second Study. Research Centre for Museums and Galleries (RCMG), Department of Museum Studies, University of Leicester, UK. Disponible en Internet: html ICOM: Consejo Internacional de Museos (007). Estatutos. Disponible en Internet: Kisiel, James F. (009). Exploring a School Aquarium Collaboration: An Intersection of Communities of Practice. Science Education. Pp DOI: /sce UNESCO (1996). La Educación Encierra un Tesoro. Informe a la UNESCO de la Comisión Internacional sobre la Educación para el Siglo XXI, presidida por Jaques Delors. Santillana. Ediciones UNESCO. Disponible en Internet: S.PDF Weber, Traubel (003). El aprendizaje en los centros escolares y en los museos: qué métodos favorecen más el aprendizaje activo? SMEC (proyecto europeo colaboración entre museos y centros escolares para mejorar la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias ). Editado por Maria Xanthoudaki. Disponible en internet: 70

71 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CONTROLADOR DE MOVIMIENTOS DE ROBOT MÓVIL Mauricio Arias Correa 1, Camilo Cortés Acosta, Andrés Mármol Vélez 1 Profesor de tiempo completo EIA, estudiantes de ingeniería mecatrónica Escuela de Ingeniería de Antioquia, Alto de las Palmas Km +00 variante al aeropuerto José María Córdova, Envigado-Antioquia, Resumen: Se presenta el diseño y la simulación de un controlador de movimientos de un robot móvil. El controlador está basado en una red ANFIS que trabaja en conjunto con un controlador difuso. Las señales de entrada del controlador ANFIS provienen de sensores ópticos distribuidos en el hemisferio frontal del robot, cubriendo 180 grados de detección en el horizonte. La señal de salida es un valor de ángulo, la cual se convierte en señal de entrada para un controlador difuso, que a su vez genera valores de velocidad a las ruedas derecha e izquierda del robot, para que toda la estructura del robot quede orientada y posicionada según el valor del ángulo anteriormente calculado y de esta manera el robot podrá evadir los obstáculos presentes en su entorno. El cálculo de ángulo que realimenta la localización al robot se realiza cada periodo de muestreo del sistema. Las simulaciones del total del sistema permiten apreciar en un entorno gráfico las posiciones sucesivas que el robot asume en un entorno interior con obstáculos y la efectividad del sistema diseñado. Palabras clave: robot móvil, ANFIS, controlador difuso, configuración diferencial, simulación de controlador. 1. INTRODUCCIÓN La navegación de robots ha venido siendo estudiada y trabaja durante más de tres décadas por investigadores alrededor del mundo. Sin embargo, aún hoy, se continúa en la búsqueda de técnicas realmente eficientes para garantizar que un robot pueda seguir una ruta y navegar desde un punto inicial hasta un punto final, bien sea para solucionar problemas como el del homing o simplemente para realizar navegación reactiva. Los controladores basados en redes ANFIS, han sido aplicados a diferentes procesos para garantizar que, previo entrenamiento, se obtengan resultados muy aproximados a los deseados a pesar de los valores de incertidumbre y perturbaciones. Los controladores difusos, son una alternativa eficiente para procesos de difícil modelación, que presentan comportamientos no lineales y que son variables en el tiempo. La unión de estos dos controladores en dos etapas de un controlador de movimientos, que permita la localización de un robot móvil de configuración diferencial en un entorno con obstáculos, es la solución que se plantea en este trabajo. 71

72 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Las entradas del controlador ANFIS, son señales de distancia a los objetos del entorno, tomadas en la parte frontal del robot y cubriendo por tanto 180 grados. La salida es un valor de ángulo de evasión, que se convierte en la entrada para un controlador difuso, el cual tiene como salida el valor de velocidad para las ruedas, de tal manera que la orientación y posición del robot sea la deseada y el obstáculo sea evadido adecuada y efectivamente. Para el diseño de este controlador angular se realizó un estudio detallado de la cinemática del robot, teniendo en cuenta parámetros como sus dimensiones y velocidades máximas de los motores, lo cual se puede apreciar en la sección.1, el diseño del controlador se describe en la sección. y la simulación del desempeño del mismo se presenta con sus correspondientes resultados en la sección 3. entonces descrita por la terna (X, Y, Ѳ) con respecto al sistema de referencia fijo del entorno (Olson, 004). Suponiendo un espacio de tiempo muy pequeño en el que la distancia recorrida por la ruedas derecha (Drd) e izquierda (Dri) del robot, sean también pequeñas (α<<), se puede asumir que la trayectoria del vehículo, representado por el punto medio del eje (P) que une las dos ruedas (de longitud De) es un arco como se aprecia en la figura.. CONTROLADOR DE MOVIMIENTOS.1 Cinemática de configuración diferencial El análisis de la configuración diferencial, se realiza teniendo en cuenta las siguientes simplificaciones: El robot móvil se moverá sobre superficies planas. El giro de las ruedas será de rodadura pura (sin deslizamientos). El robot se comporta como un sólido rígido. Figura.. Trayectoria circular. Usando la geometría, se pueden proponer relaciones entre las distancias recorridas por las ruedas y la distancia recorrida por el punto P (DP) y la orientación del vehículo con respecto al eje horizontal de referencia (Ѳ). Figura. 1. Robot de configuración diferencial. Si se tiene en cuenta la variable tiempo, las expresiones anteriormente presentadas pueden expresarse en términos de razones de cambio, para ello se dividen (1) y () entre t: Estas simplificaciones permiten plantear un modelo, según el cual, el medio en que se mueve el robot es bidimensional y tiene un sistema de referencia fijo asociado a este (X, Y ). La posición del robot será 7

73 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Se concluye que conociendo las velocidades de cada una de la ruedas será posible determinar la velocidad lineal y velocidad angular del robot. Integrando estas expresiones se obtienen: velocidades que llegan a las ruedas a partir del ángulo de orientación deseado es calculado por medio de un controlador difuso. El controlador de movimientos realiza cálculos en dos etapas, diferenciadas por el método que utiliza cada controlador. Conocer la terna (X, Y, Ѳ) en cualquier instante de tiempo, es posible mediante las expresiones (7) y (8). Figura. 3. Evasión de obstáculos con robot diferencial. En la primera etapa se utiliza un controlador tipo red ANFIS, en la segunda un controlador difuso. El análisis concluye que el conocimiento de la velocidad de las ruedas, permitirá a su vez, conocer la tasa con la que cambia la orientación del vehículo, así como la velocidad con la que el vehículo se mueve hacia adelante, además de la terna (X, Y, Ѳ), (Ollero, 1999).. Diseño del controlador Un robot de configuración diferencial, puede describir una trayectoria calculada por medio de curvas o por medio de tramos de recta (figura 3). El robot de configuración diferencial que se tiene en cuenta para el análisis, avanza de manera constante hasta encontrar un obstáculo, en cuyo caso debe cambiar su orientación girando ambas ruedas hacia adelante, con velocidades diferentes la una de la otra de tal manera que el robot describe la curva. El ángulo de orientación que debe asumir el robot en cada punto de la trayectoria (para cada periodo de muestreo), debe ser calculado por un controlador de movimientos, dicho controlador se ha diseñado utilizando un sistema ANFIS. Los valores de las Figura 4. Representación D del robot y el campo de detección de los sensores de distancia La red ANFIS, tiene 6 entradas, correspondientes a las señales procedentes de sensores de distancia, cuyo umbral de detección se extiende en una región circular, con una amplitud de 30 grados y 1 metro de alcance. Estos sensores están dispuestos cada 30 grados, para una cobertura total de 180 grados alrededor de la parte frontal del robot (figura 4). La salida de la red es un valor que representa el ángulo de orientación que debe asumir el robot para 73

74 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: evadir los obstáculos, teniendo en cuenta su capacidad de maniobra, constituida por la velocidad de giro y la distancia con respecto a los obstáculos. El proceso de diseño del controlador ANFIS se compone del establecimiento de los conjuntos difusos de las variables de entrada y salida y del entrenamiento del controlador. Se definieron tres funciones de membresía, para cada una de las seis entradas a la red constituidas por los sensores. Los conjuntos permitieron clasificar la distancia a los objetos como distancia alta, media y baja. (ver figura. 5) entrenamiento se diseñó un entorno 3D, con ayuda de un software CAD, en el cual navega el robot. (ver figura. 7) Teniendo en cuenta la ubicación de los obstáculos y el tamaño del robot se establecieron una serie de rutas. (ver figura 8) Figura. 5. Esquema de entradas y salidas del ANFIS No existe una manera simple de determinar de manera previa cuantos conjuntos difusos deben establecerse, esta decisión debe ser tomada estudiando los datos de entrada y salida de la red, o por prueba y error (Shing, 1993). Figura. 7. Entorno 3D para navegación del robot El conjunto de datos para el entrenamiento del controlador ANFIS, está constituido por los valores de distancia a obstáculos, procedentes de los sensores y un ángulo de giro, que correspondería al ángulo deseado para cada grupo de valores de entrada; teniendo en cuenta las características del entorno creado. Figura. 6. Funciones de membresía para conjuntos de entrada de la red. Entrenamiento del controlador. Para realizar el entrenamiento del controlador es necesario obtener un conjunto de datos que representen los valores deseados de salida del controlador ante diferentes valores de entrada. Para obtener los datos de 74

75 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura. 8. Rutas deseadas para navegación del robot Un software desarrollado en Visual Studio, permite capturar los datos y generar los valores de velocidad para las ruedas, de tal manera que el total de valores obtenidos en la descripción de una trayectoria sirven como valores de entrenamiento que ingresarán luego a una red ANFIS diseñada en Matlab. El toolbox fuzzy de Matlab, permite diseñar, entrenar y simular el desempeño de un controlador ANFIS y un controlador difuso. En la primera fase de diseño se definieron las entradas y salidas de la red, los tipos de funciones de membresía y la naturaleza de la salida del sistema. Se utilizaron entradas cuyas funciones de membresía son triangulares, tal como se aprecia en la figura 6. simulación. En el simulador, el controlador difuso toma el valor del ángulo y realiza los cálculos cinemáticos propios de la configuración del robot, para arrojar los valores de velocidad a las ruedas que permiten orientar al robot. Además la nueva posición del robot es realimentada al software de CAD para visualizar las sucesivas localizaciones del robot. 3. SIMULACIÓN En la simulación, el robot es localizado en diferentes puntos de partida del entorno CAD para que recorra las rutas con las que el controlador ANFIS fue entrenado. Los valores de distancia medida desde el robot hasta los objetos presentes en el entorno (según la ruta simulada), son emulados y se convierten en las seis entradas para el controlador ANFIS. La salida del controlador, se convierte en la entrada para el controlador difuso, el cual recurre a la simulación de la cinemática para generar los valores de velocidad para las ruedas del robot. 3.1 Simulación cinemática Figura. 9. Datos de entrenamiento vs salida de la red. Los datos tomados para el entrenamiento son el resultado de la descripción de las trayectorias denominadas ruta morada, ruta roja y ruta azul (figura 6) y en Matlab, se utilizó el algoritmo híbrido de aprendizaje, logrando el error deseado de entrenamiento en menos de 10 iteraciones. Durante este proceso también se modifican los límites de las funciones de membresía definidas inicialmente con el objetivo de minimizar el error de entrenamiento. En la figura 9, se puede apreciar los resultados del entrenamiento y la coincidencia entre los datos de entrenamiento (o) y los datos de salida del controlador ANFIS (*). La cinemática del robot se simula bajo condiciones ideales. No se tienen en cuenta fenómenos como el derrape de las ruedas o el comportamiento no lineal que puedan presentar los motores. El análisis de la configuración diferencial (Ollero, 1999; Olson, 004), concluye que el conocimiento de la velocidad de las ruedas, permitirá a su vez conocer la tasa con la que cambia la orientación del vehículo así como también la velocidad con la que el vehículo se mueve hacia adelante. De igual manera se conocerá la terna (X, Y, Ѳ), por medio de las ecuaciones (6), (7) y (8). En las cuales Drd y Dri corresponden a las distancias recorridas por la rueda derecha e izquierda en un periodo de tiempo, respectivamente. La variable De corresponde a la distancia entre centros de las ruedas, que está definida para el robot y para la validación de este trabajo. La discretización de las ecuaciones (6), (7) y (8) permite obtener las expresiones (9), (10) y (11), las cuales servirán para simular la cinemática del robot. La red obtenida se compone de 1503 nodos y 79 reglas. La validación del desempeño del controlador ANFIS generando referencias de ángulo para un controlador difuso, se realiza por medio de una 75

76 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: y Los resultados de la simulación cinemática, son representados en el entorno de simulación por medio del desplazamiento del robot, el cual a su vez se puede apreciar en la figura 10, como una semicircunferencia con seis zonas de detección. 100 y Figura. 1. Ruta seguida por el robot emulando sensores es de distancia y simulando cinemática. En la figura 11, se puede apreciar la ruta 1, que se desea seguir. En la figura 1 está el resultado de la simulación. De igual manera en la figura 13, se aprecia la ruta, y el resultado de la simulación del seguimiento de la ruta se puede observar en la figura 14. Figura. 10. Entorno de simulación en AutoCad 400 x Los resultados de la simulación del seguimiento de las tres rutas, por parte del robot virtual, se pueden apreciar en las figuras 11 a 16. x x Figura. 11. Ruta deseada x Figura 13. Ruta deseada y y Figura 14. Ruta seguida por el robot emulando sensores de distancia y simulando cinemática. 76

77 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Finalmente, en la figura 15, se aprecia la ruta deseada 3 y el resultado de la simulación del seguimiento de la ruta 3 en la figura Figura 15. Ruta deseada x y Figura 16. Ruta seguida por el robot emulando sensores de distancia y simulando cinemática Como era de esperarse el seguimiento de las rutas es bastante bueno, ya que se están siguiendo las rutas con las que se entrenó al sistema, y ANFIS ha demostrado ser una técnica eficiente estableciendo relaciones de entrada/salida. 4. CONCLUSIONES Utilizando técnicas inteligentes de control, tales como las redes ANFIS y los sistemas difusos, es posible controlar los movimientos de un robot en una trayectoria diseñada para un entorno con obstáculos. Implementando el método por medio de un robot real, se debe tener en cuenta, los denominados errores sistemáticos y no sistemáticos, según los cuales las dimensiones de las ruedas, el ángulo de ensamble a la estructura de las mismas, el par efectivo que los motores le transmiten a las ruedas y y x por tanto la velocidad real de las ruedas con respecto al valor deseado, son incertidumbres que afectarán de manera significativa el seguimiento ideal de una ruta. La capacidad del ANFIS para corregir en cada punto alcanzado el ángulo y llegar al valor de ángulo ideal, es lo que le hace ideal para este tipo de aplicaciones. ANFIS, también es ideal para tomar señales de entrada ruidosas como entrada y evitar que dicho ruido afecte de manera significativa la salida. Las simulaciones realizadas en las tres rutas presentadas en el entorno CAD, permitieron establecer la posibilidad de un desempeño eficiente del controlador del robot durante la navegación reactiva. Sin embargo, es fácil deducir que en las simulaciones los entornos son ideales. La elección del ANFIS, ha sido con seguridad una ventaja en el diseño del método propuesto y un acierto comprobado por medio de la simulación. En trabajos como el de Soria (Soria, 006), se propuso utilizar un controlador no-lineal, que se desempeño de manera eficiente logrando que el robot tomara el ángulo deseado. La diferencia del ANFIS, radica en la necesidad de que éste último sea entrenado. Para garantizar un buen desempeño del controlador en cualquier entorno, es necesario contar con un conjunto de datos de entrenamiento lo suficientemente grande para lograr una buena generalización del comportamiento. REFERENCIAS [Ollero, 1996] OLLERO, A., GONZÁLEZ, J. (1996). Estimación de la posición de un robot móvil. Informática y Automática (aeia). vol. 9. núm. 4, p [Olson, 004] OLSON, E. (004). A Primer on odometry and motor control. Universidad de Michigan. Computer science and Engineering, 15p. [Santos, 005] SANTOS, J. y DURO, R. (005). Evolución artificial y robótica autónoma. Editorial RA- MA. México, Abril 005. [Shing, 1993] SHING, J. and JANG, R. (1993). Adaptive Network-Based Fuzzy Inference System. IEEE Transactions on systems, man and cybernetics, Vol. 3, No. 3, May/June, pag [Soria, 006] SORIA, C., CARELLI, R. and SARCINELLI-FILHO, M. (006). Control de un robot móvil utilizando el flujo óptico obtenido través de un sistema omnidireccional catadióptrico. IV Jornadas Argentinas de Robótica, Córdoba. 77

78 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: LA TELEPSIQUIATRÍA Y EL USO DE ESTÁNDARES DE INFORMACIÓN Marco Antonio López Ibarra 1, Carlos Germán Ruiz Ibañez 1, Marta Silvia Tabares Betancur 1 Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Ingeniería Biomédica EIA Universidad CES. Grupo de Investigación GIBEC. Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Ingeniería Informática. Grupo de Investigación GIISEIA. Resumen: La telemedicina entendida como el uso de los sistemas de la información y de la comunicación, soporta y provee diferentes servicios de salud a personas que se encuentran alejadas de los centros que los proveen. El continuo crecimiento de estos servicios ha generado la necesidad de garantizar una correcta interoperabilidad entre los sistemas de información para estandarizar la comunicación entre instituciones, usuarios, pacientes, equipos médicos, etc. Esta interoperabilidad se logra mediante el uso de estándares de información los cuales son estructuras estandarizadas para intercambiar información. Este artículo presenta una revisión de la literatura científica asociada a los estándares actualmente utilizados alrededor del mundo para la práctica de la telemedicina y la telepsiquiatría específicamente. Esto se logra identificando algunos de los principales estándares de información médica, sus categorías y aplicabilidad. Palabras clave: estándares de información, estándares en telemedicina, telepsiquiatría. 1. INTRODUCCIÓN El crecimiento continuo de las instituciones que utilizan los sistemas de información para el cuidado de la salud, los equipos que estas poseen, la diversidad del personal que provee o recibe información (médicos, enfermeras, administrativos, etc.), y de la prestación de servicios innovadores de telemedicina, genera la necesidad de garantizar una correcta interoperabilidad entre los diferentes sistemas con el fin de mejorar la comunicación y estandarizar la información que fluye entre ellos. Interoperabilidad es la habilidad de dos o más sistemas o componentes para intercambiar información y utilizar la información que ha sido intercambiada. La interoperabilidad puede ser operativa (funcional) o semántica. Operativa se refiere al hecho de intercambiar información, y semántica se refiere al uso de la información transferida (Fundación HL7 Colombia, 007). Una correcta interoperabilidad se logra usando estándares de información los cuales se entienden como las especificaciones técnicas de un sistema 78

79 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: determinado (European Commission, DG Enterprise & Industry, 008). El uso de los estándares evita el caos de la información que se puede generar debido a la gran cantidad y tipos de datos que se manejan en el área de la medicina. Sin embargo, el uso de estándares no es tan común como debería. Su adopción en las empresas de salud para la automatización de sus procesos o su inclusión en las aplicaciones de software de carácter médico y clínico requiere de esfuerzo y conocimiento especializado. La telemedicina, entendida como el uso de los sistemas de información y comunicación, soporta y provee diferentes servicios de salud a personas que se encuentran alejadas de los centros que los proveen (Hilty et al., 00; Maheu et al., 001). Por esta razón es importante identificar e implementar la interoperabilidad entre los diferentes sistemas que la soportan. Específicamente, los servicios que se prestan desde la telepsiquiatría (área de la telemedicina o e-salud por medio de la cual se ofrecen servicios de cuidado en salud mental a través de tecnologías de la información y comunicación (TIC)) proveen nueva información y procesos que requieren ser estandarizados para lograr interoperabilidad entre la atención primaria y secundaria que se ofrece como alternativa a la modalidad de consulta presencial (De las Cuevas et al., 006). En este artículo se presenta la revisión de la literatura científica asociada a algunos de los estándares que soportan la práctica de la telepsiquiatría como un área de la telemedicina. El artículo está organizado de la siguiente forma. La Sección define el concepto de estándar, las diferentes categorías usadas en el área de la salud y su aporte a la telepsiquiatría. La Sección 3 presenta los estándares de comunicación, La Sección 4 presenta los estándares de identificación. La Sección 5 presenta los estándares de estructura y almacenamiento de datos. La Sección 6 presenta los estándares de codificación de datos clínicos. La sección 7 presenta los estándares de confidencialidad, autenticación y seguridad de la información. Finalmente, en la Sección 8 se concluye.. ESTÁNDARES DE INFORMACIÓN QUE SOPORTAN LA TELEPSIQUIATRÍA Los estándares de información son estructuras que garantizan una comunicación efectiva entre emisores y receptores que interactúan para compartir información. En el área de la salud, estos son definidos por diferentes organizaciones alrededor del mundo para promover la uniformidad en la definición de los componentes informáticos de salud tales como personas, cuidados, diagnósticos, enfermedades, medicaciones, etc. La Tabla 1 muestra las categorías de estándares definidas por la Fundación HL7 de Colombia (Fundación HL7 Colombia, 007). Categoría Mensajería e Intercambio de datos Terminología Documentos Conceptuales Aplicaciones Arquitectura Tabla 1. Categorías de Estándares de Interoperabilidad Descripción Permiten el intercambio del flujo entre los sistemas y las organizaciones en forma consistente. Vocabularios que proveen códigos específicos para conceptos clínicos tales como enfermedades, alergias, medicaciones, etc. Indican que tipo de información está incluida en un documento y donde puede ser hallada. Por ejemplo, los formatos SOAP (Subjetivo, Objetivo, Evaluación-Assesment-, Plan), CCR (Continuity of Care Record o Registro de cuidado continuo), CDA (Clinical Document Architecture), y CCD (Continuity of Care Document). Facilita el transporte de los datos entre diferentes sistemas sin perder su significado. Determina la forma como las reglas de negocio son implementadas y su interacción con los sistemas de negocio Definen los procesos involucrados en el almacenamiento y la distribución de datos. Entre los objetivos que se buscan lograr al definir estándares para los procedimientos de telepsiquiatría encontramos (Wootton et al., 003): Promover el crecimiento del uso de la telemedicina. Aumentar la disponibilidad de los servicios de la salud mental a todos los que lo necesiten en especial los que estén en lugares remotos. Mejorar la calidad los servicios de la salud mental. Esto se logra al permitir la participación de especialistas que puedan ayudar en la identificación de enfermedades. 79

80 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Identificar los mecanismos con los cuales se logre proteger la privacidad y la confidencialidad de la información de cada uno de los individuos que están dentro del sistema de salud y participen de la consulta o servicio telepsiquíatrico. Definir los procesos para el desarrollo científico de las prácticas de la telepsiquiatría. Promover un apoyo continuo a los avances que se realicen en la telemedicina. Proveer un marco de referencia para la interoperatibilidad y la escalabilidad entre los diferentes servicios de telepsiquiatría prestados en diferentes lugares y condiciones. Países como Australia (RACGP, 007), Noruega (Johnsen, 006), Alemania (Blobel y Pharow, 009), Nueva Zelanda (HISO, 007), entre otros, definen estándares y recomendaciones de uso en cada parte del proceso clínico particular de su país. Los estándares internacionales utilizados para las prácticas de telemedicina están divididos en grupos que se aplican de acuerdo a la fase de la práctica que se esté realizando en un momento determinado. Los principales grupos son (Blair, 009): Comunicación, Identificación, Estructura y Almacenamiento, Codificación de datos clínicos, Confidencialidad, Autenticación y Seguridad de los datos. 3. ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN Este grupo es el más reconocido e importante en el desarrollo e implantación de sistemas de información en el sector de la salud y es relevante para los servicios de telemedicina. Un paciente tiene la posibilidad de acceder a varios servicios de telemedicina y a su vez cada uno de estos contar con distintos equipos de diagnóstico, por lo tanto la información y la comunicación entre los sistemas involucrados deben ser estandarizadas para evitar el caos. Los estándares de comunicación para el cuidado de la salud (Healthcare Communication Standards HCS) mejoran la interoperabilidad y la conectividad en sistemas de información dentro y fuera de una institución de salud (Dudeck, J., 1998). En los últimos años se han desarrollado diferentes propuesta de este tipo de estándares (EHTO, 009). Algunas de estos son: El CEN/TC 51, es una iniciativa Europea para establecer estándares en el uso de las tecnologías de información y comunicación en el sector de la salud. El objetivo es lograr compatibilidad e interoperabilidad entre sistemas independientes y lograr modularidad en los sistemas de registro electrónico de salud (From, 009; Los estándares emitidos por el comité E31 de la ASTM (American Society for Testing and Materials) se orientan hacia la estandarización de arquitectura, contenido, almacenamiento, seguridad, confidencialidad, funcionalidad y comunicación de la información usada en el cuidado de la salud; además, soportan las decisiones que se tomen en esta área (Smith, 009). El estándar P1157 ó MEDIX desarrollado por la IEEE, facilita el intercambio de datos médicos entre sistemas computacionales intra e inter hospitalarios (Rutt, 1998). El estándar para el intercambio de imágenes médicas DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine - se usa ampliamente y facilita el procesamiento y registro de las imágenes médicas en forma digital que serán intercambiadas entre diferentes sistemas. El estándar HL7 (Health Level 7 - se usa ampliamente para estandarizar el desarrollo de sistemas para la gestión de información médica, la arquitectura de la documentación clínica, el cuidado de la salud, la interoperabilidad con muy buenos resultados para el sector de la salud. HL7 es la sigla en inglés que significa Nivel Siete de Salud. Este nivel siete hacer referencia al más alto nivel presentado por el modelo de sistema de interconexión abierta (OSI) presentado por la Organización Internacional de Estandarización (ISO). 4. ESTÁNDARES DE IDENTIFICACIÓN Un estándar de identificación es la definición de los datos requeridos para la caracterización de un individuo en un sistema de salud. Propiedades de identificación tales como número único de salud, nombre, dirección, fecha de nacimiento, etc. (McBride, 1997). 80

81 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Dentro de un sistema de telemedicina es necesario identificar cada uno de los distintos actores, bien sean pacientes, proveedores, especialistas, y dispositivos de comunicación y diagnóstico que participan durante la prestación de un servicio de salud remoto. Estos actores pueden acudir a diferentes servicios en diversos lugares, y si no se cuenta con un número único de identificación del usuario del servicio de salud y su ubicación se puede perder la información en el flujo que se genera. La norma ASTM E (Standard Guide for Properties of a Universal Healthcare Identifier (UHID) define las propiedades básicas que debe poseer un número único de identificación para el sistema de salud. De hecho trata 30 características que debe tener un identificador universal (http://www.ncvhs.hhs.gov/app7-.htm). En Colombia un buen identificador de los distintos actores en el caso de las personas naturales (médicos, pacientes, etc.) es el número único de identificación personal (o cédula de ciudadanía) el cual es asignado a cada persona desde el momento de su nacimiento. En el caso de las empresas que sirven como proveedores de servicios y materiales se puede utilizar el NIT (Número de Identificación Tributaria). 5. ESTÁNDARES DE ESTRUCTURA Y ALMACENAMIENTO DE DATOS Estos estándares definen la forma como deben ser estructuradas las hojas de vida electrónicas de los paciente dentro de una institución prestadora de salud. La gran mayoría de estos los ha desarrollado la ASTM en sus comités E31.1 y E31.19 (Strehlow y Wright, 1993) con los estándares presentados en la Tabla. Tabla. Estándares para la estructuración y almacenamiento de datos Estándar Descripción Descripción de estándar para la E1384 estructuración y almacenamiento de los registros de pacientes digitales. Descripción de estándar para los valores codificados usados en los E1633 registros automatizados de los centros de salud. E Guía de estándar para la descripción Estándar E Descripción del registro o reserva de los sistemas automatizados en los centros de salud. Prácticas para un modelo orientado a objetos para el registro, admisión, dada de alta y funciones de transferencia en sistemas de registro de pacientes basados en computadoras. 6. ESTÁNDARES DE CODIFICACIÓN DE DATOS CLÍNICOS En el ámbito de la salud existe la necesidad de asignarle un código de identificación a diferentes enfermedades y procedimientos que se llevan a cabo. Por ejemplo, no es lo mismo escribir en texto libre esquizofrenia paranoide nivel 1 a EP nivel 1 porque a la hora de hacer las búsquedas serían dos enfermedades diferentes. De ahí la necesidad de asignar códigos únicos que sean reconocidos por diferentes sistemas. Para la telemedicina la importancia de seguir un estándar radica en el hecho de que al transferir información desde un sistema remoto a otro se pueden generar confusiones entre las enfermedades y los procedimientos que se le han realizado a un paciente, afectando radicalmente su salud. De igual forma podría suceder con datos como zona, ciudad, país y otras de localización del paciente. En la actualidad existen más de 150 sistemas diferentes de codificación de datos (HISO, 007). La organización mundial de la salud ha codificado las enfermedades de acuerdo a su función de información. Por ejemplo, los códigos ICD (International Statistical Classification of Diseases and Related Health Problems CIE en español, v4n- Actu_CIE.htm) son usados para las estadísticas sobre morbilidad y mortalidad, sistemas de reintegro y soportes de decisión automática en medicina (http://es.wikipedia.org/wiki/lista_de_c%c3%b3dig os_cie-10). En el área de la salud mental, los sistemas de telemedicina deben tener en cuenta la clasificación internacional de enfermedades mentales de la OMS CIE-10 (CIE-10, 009). Otros códigos como el CPT (Current Procedural Terminology 81

82 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: insurance/cpt.shtml), códigos SNOMED (International Health Terminology Standards Development Organisation (IHTSDO )), y códigos LOINC (Logical Observation Identifiers Names and Codes (LOINC ) - etc., complementan la estandarización de códigos para diferentes elementos, servicios, procedimientos, y prácticas que se deben usar en las diferentes áreas clínicas y sistemas de información que las soportan. 7. ESTÁNDARES DE CONFIDENCIALIDAD, AUTENTICACIÓN Y SEGURIDAD DE LOS DATOS Existe una gran cantidad de estándares que regulan la seguridad de los datos de los pacientes, todos estos estándares se basan en la necesidad de cumplimiento de leyes que obligan a los proveedores de salud a mantener un alto nivel de confidencialidad de la información. Entre estas normas encontramos (HISO, 007): El subcomité E31-1 desarrolló un estándar que define los requerimientos mínimos de seguridad de la información de los pacientes en los registros de salud basados en computadoras El subcomité E31.17 desarrolló un estándar para la autenticación de los médicos al acceder a una base de datos de pacientes. Se recomienda que todo sistema de telemedicina cuente con la capacidad de encriptar la información que va a ser transferida, en especial la información personal del paciente. Es importante así tener en cuenta estándares informáticos para la seguridad de la información (ISO 17799, 009; 7. CONCLUSIONES En este artículo se hace una revisión de la literatura científica que trata el uso de estándares para la implementación de sistemas telepsiquíatricos. En general estos se definen desde la interoperabilidad de los sistemas de información que soportan la telemedicina en diferentes áreas de la salud. De los diferentes estándares presentados es importante resaltar la aplicación del estándar HL7 en la telepsiquiatría. Su especificación puede usarse en varios asuntos de los sistemas de salud mental: los requisitos funcionales, la interoperabilidad del flujo que se genera entre la atención primaria y la secundaria, los requisitos no funcionales de seguridad y confidencialidad. La adopción de estándares para nuevos sistemas de información en el área de la salud o su adaptación en sistemas existentes requiere de un esfuerzo y conocimiento especializado. La comunidad científica está trabajando en su implementación desde diferentes áreas para lograr servicios de comunicación en salud (Sartipi y Yarmand, 008; López y Blobel B.G.M.E., 009). No obstante, las aplicaciones de telemedicina requieren de más investigación en esta área para generar nuevos estándares en cuanto al procedimiento del servicio prestado (p. ej. la consulta telepsiquíatrica) y la codificación de problemas presentados durante el uso de servicios teleinformáticos. Actualmente los grupos de investigación GIISEIA y GIBEC de la EIA están trabajando en el desarrollo de un sistema que soporte servicios telepsiquiátricos. Esto incluye el uso del estándar HL7 y la técnica de separación de asuntos (Tabares et al., 008). En trabajos anteriores a este se ha usado el estándar DICOM para la estandarización del uso de imágenes médicas (Ruiz et al., 007). REFERENCIAS Fundación HL7 Colombia (007). Conceptos Básicos de Interoperabilidad. 1er Curso Colombiano de HL7. Hilty, D.M.; Luo, J.S.; Morache, C.; Marcelo, D.A.; Nesbitt, T.S. (00). Telepsychiatry An Overview for Psychiatrists. University of California. CNS Drugs 00; 16 (8): European Commission, DG Enterprise & Industry. (008). ICT standards in the health sector: current situation and prospects. Special Study No. 1, 008. Final Report, version 3. Maheu, M.M., Whitten, P., Allen, A. E-Health, Telehealth, and Telemedicine (001). A Guide to Startup and Success. 1ed. Ed. by Jossey-Bass Inc. De las Cuevas, C., Arredondo, M.T., Cabrera, M.F., Sulzenbacher, H., Meise, U. (006). Randomized 8

83 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Clinical Trial of Telepsychiatry through Videoconference versus Face-to-Face Conventional Psychiatric Treatment. Telemedicine and ehealth; Vol. 1 Issue 3, June 3, 006. Pp: RACGP (007). The RACGP Standards for health services in Australian immigration detention Centres. Ed. by The Royal Australian College of General Practitioners College House. Johnsen, E.; Breivik, E.; Myrvang, R.; Olsen, F. (006). Benefits from telemedicine in Norway An examination of available documentation. HØYKOM Report No. 006:1. Sartipi, K. and Yarmand, M.H. (008). Standardbased Data and Service Interoperability in ehealth Systems. IEEE International Conference on Software Maintenance (ICSM008), pages Beijing, China. Blobel, B.G.M.E.; Pharow, Peter. (009). Analysis and Evaluation of EHR Approaches. Methods of information in medicine 009;48():16-9. López, D.M; Blobel B.G.M.E. (009). Enhanced semantic interoperability by profiling health informatics standards. Methods of information in medicine 009;48(): Health Information Standars Organisation - HISO. (007). Integrated Mental Health Data Process Standard. HISO ISBN (Online). Este document está disponible en el sitio: Wootton, R.; Yellowlees, P.; McLaren, P. (003). Telepsychiatry and e-mental Health. Royal Society Medicine Press Ltd. Blair, J.S. (009). An Overview of Healthcar Information Standars. IBM Healthcare Solutions. Acceso electrónico: Reference1.PDF (citado el 4/08/009). McBride, A. (1997). Health Identification Standard for Individual in Canada. Partnership for Health Informatics/Telematics. Canadian Institute for Health Information. From, S. (009). Standards for health care telematics A new dimension and challenge to standards makers. Acceso electrónico: t10.html. (Citado el 13/07/009). EHTO Enterprise S.A. (009). Standardisation in Healthcare, Informatics & Telematics. Acceso electronico: (Citado el 8/08/009). Dudeck, J. (1998). Aspects of implementing and harmonizing healthcare communication standards. International Journal of Medical Informatics, Volume 48, Issue 1, Pages Smith, D. Committee E31 on Healthcare Informatics. Acceder en: 31.htm. (Citado el 1/09/009). Rutt, T.E. (1998). Work of IEEE P1157 Medical Data Interchange committee. International Journal of Clinical Monitoring and Computing, Vol. 6, No. 1 / Enero de Ruiz, C.; Trujillo, A.; García, A. (007). Aproximación a la Representación en XML de objetos DICOM para fotografía médica digital. Revista EIA, No. 8, pp Strehlow, R.A.; Wright, S.E. (Ed.) (1993). Standardizing terminology for better communication: practice, applied theory and Results. ASTM Publication Code Number (PCN) Clasificación internacional de enfermedades mentales de la OMS CIE-10. Acceso electrónico: (Citado 10/08/009). The ISO Information Security Portal. Acceso electronic: (Citado (13/08009). Tabares M.S., Anaya R., Moreira A., Araújo J., Arango F. (008). Traceability Models to Control an Aspectual Model-Driven Development. Proceedings of the 0th International Conference of Engineering & Knowledge Engineering ISBN: (SEKE). 83

84 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: TRIGONOMETRÍA ELÍPTICA PARA SU USO EN INGENIERIA Juan Camilo Valencia Estrada 1, Álvaro Hernán Bedoya Calle 1 Ingeniero de Producción, Universidad EAFIT. Maestro en Matemáticas Aplicadas, Universidad EAFIT. Profesor, Escuela de Ingeniería de Antioquia. Licenciado en Matemáticas y Física, Universidad de Antioquia. Maestro en Matemáticas Aplicadas, Universidad EAFIT. Resumen: Se presenta a continuación la creación de funciones trigonométricas especiales, con base en la geometría elíptica en coordenadas cartesianas y polares, que permiten describir una torsión del plano polar, para caracterizar variables físicas, con muchas aplicaciones en la industria electrónica, ya también para: modelar distribuciones de probabilidad finitas, caracterizar el astigmatismo oblicuo, bastante común en óptica, y modelar matemáticamente la cornea humana. Palabras clave: trigonometría elíptica, βsin e, excentricidad, semieje, astigmatismo. 1. INTRODUCCION Considerando una torsión del plano polar se necesitan crear unas funciones especiales que sean equivalentes a las funciones trigonométricas circulares e hiperbólicas que surgen de los triángulos rectángulos formados por el origen de coordenadas, los diferentes puntos de un círculo e hipérbola unitaria y los puntos de las respectivas proyecciones normales a los ejes principales, que en forma canónica corresponden al eje x y y. De este concepto se aclara que las funciones trigonométricas circulares surgen de x + y = 1 (1) para crear las funciones trigonométricas de la misma manera que Thomas Fincke en 1583 creó la trigonometría con la notación moderna que se usa canónicamente, que fue refinada por William Oughtred en 163 con: sin α = y, cos α = x, y tan α =, x x cot α =, y 1 sec α =, x 1 csc α =. y () Las anteriores funciones trigonométricas circulares 3 Libro 14: Geometria rotundi. El uso de las abreviaturas para las funciones trigonométricas proviene de Fincke. 3 Muy diferentes de las funciones trigonométricas esféricas que surgen de los triángulos rectángulos 84

85 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: permiten describir fácilmente la naturaleza cíclica de orden 4 que surge de la rotación del radio unitario cuando se conmuta de cuadrante. Estas funciones describen la naturaleza del tiempo real si el ángulo es t, de la misma manera en que funciona un reloj. La trigonometría hiperbólica fue creada por Vincenzo Riccati ( ), pero la notación moderna fue impulsada por Johann Heinrich Lambert en , para describir el comportamiento equivalente de las funciones trigonométricas circulares cuando los ángulos o el tiempo son imaginarios. Las funciones de las hipérbolas canónicas unitarias generadoras corresponden a: m x ± y = 1 (3) con las respectivas funciones trigonométricas hiperbólicas generadas: sin iα sinhα = = y, i tan iα y tanhα = =, i x 1 sec h α = sec iα =, x coshα = cos iα = x, cot iα x (4) cothα = =, i y csc iα 1 csc h α = =. i y Posteriormente, Leonhard Euler ( ) descubrió la representación exponencial para ángulos reales e imaginarios, gracias a las representaciones en series de potencias descubiertas por James Gregory: α e ± i = cos α ± i sin α (5) ±α e = cosh α ± sinh α En el plano cartesiano canónico, considerando las funciones trigonométricas circulares, la función seno adquiere sus valores extremos unitarios en α = ± π/ con ±1 respectivamente. Si se efectúa una torsión del plano cartesiano canónico conservando el eje x en la posición canónica y posicionando el eje y con un ángulo de sobre la superficie de una esfera. 4 Histoire de l académie Royele des sciences et des belles-letres de Berlin, vol. XXIV, pág. 37. astigmatismo β π/, la función seno correspondiente a la torsión debe adquirir sus valores extremos unitarios en β y β + π. Estas funciones trigonométricas que se desean crear permiten describir fácilmente muchos problemas matemáticos de ingeniería que actualmente pueden ser modelados con expresiones demasiado complejas.. REPRESENTACIONES POLARES En las representaciones polares de las funciones trigonométricas los radios negativos no existen, ya que los radios negativos son conceptualmente imaginarios y matemáticamente reales. Para clarificar este concepto se considera la función r = sin α, como se observa en la figura 1, esta curva llamada rhodonea 5. Si la función fuese r = sin α, para 0 α π, se obtiene solamente la grafica en el primer semiplano (Cuadrantes I y II.), ya que los radios negativos no existen, así, por convención de signos se establece que los radios son positivos si están en el primer semiplano, y negativos si están en el segundo semiplano (Cuadrantes III y IV.). Considerando una torsión del plano polar que permita establecer una nueva familia de funciones trigonométricas con las mismas razones fundamentales usadas en () y (4), se obtiene una distorsión del círculo que degenera en una elipse rotada como se muestra en la figura, con r max = ± 1 para el ángulo de torsión β y el parámetro de excentricidad e, según la función seno equivalente 6. A continuación se presenta todo el método matemático que permite caracterizar la elipse rotada con semieje mayor a y excentricidad e. 5 Denominación dada por el matemático italiano Guido Grandi entre 173 y 178, ya que se parece a los pétalos de las rosas. 6 Función creada como βsin e α, con astigmatismo oblicuo β y excentricidad e. 85

86 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CONSTRUCCIÓN Se construye una elipse canónica en coordenadas cartesianas (x, y) ) con semiejes mayor 1 y menor b, con 0 < b 1 y centro en el origen, con la representación explicita y = ± b 1 x (6) que también puede ser expresada en coordenadas polares con notación explicita para el primer semiplano Para rotarla un ángulo θ: b r = b cos α + sin α (7) Figura. 1. Representación polar de la función r = sin α, para 0 α < π. r = b b cos ( α θ) + sin θ ( α θ) Para luego determinar el punto mínimo, donde la recta cartesiana tangente tiene pendiente cero: (8) dy dx xmin = 0 ' r sin α + r cos α ' r cos α r sin α α min = γ = 0 (9) Evaluando únicamente el numerador y simplificando: ( b + 1) cosγ + ( b 1 ) cos( γ θ) = 0 (10) Cuyas soluciones validas para los puntos críticos máximo y mínimo, que determinan el eje que contiene ne el punto mínimo, con un ángulo γ, son: Figura.. Representación polar de la figura que representa r = β sin e α, para 0 α < π; con la convención de signos para los radios, con β = π/4 y e = ½. γ = cos 1 ( b 1) sin( θ) 4 4 b ( b 1) cos( θ) (11) y si la excentricidad e es conocida, b = 1 e, el valor del ángulo γ también puede ser calculado con: 86

87 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: θ)) cos( ) (e e e e ( θ) sin( e cos γ + + = 4 1 (1) Cuando se necesita determinar el ángulo de rotación θ, si se prescribe el eje principal que contiene el punto mínimo (γ, r(γ)) para una elipse con semieje mayor unitario y semieje menor b o en su defecto con excentricidad e, se obtiene de la solución para θ en (10): γ + γ = γ + + γ θ = cos e e cos cos b b cos (13) Para definir la nueva función βsin,e (α) se debe escalar la elipse rotada de manera que la cuerda elíptica máxima sea unitaria. Como el astigmatismo es invariante con el escalado las expresiones en términos de la excentricidad son invariantes. Las coordenadas polares del punto mínimo son: θ + + θ θ + + = γ γ ) ) cos( e ( e e e ) sin( e cos ) cos( e e ) e ( e ) r( (14) y las coordenadas cartesianas, como función de la excentricidad, son: θ θ θ = ) cos( e e ) cos( e e ) sin( e k h (15) Trasladando la función elíptica rotada con origen en el punto mínimo, de acuerdo a la construcción propuesta, se obtiene la función en coordenadas polares, reemplazando los valores de h y k respectivos: θ + α θ + α = ) ) cos( b ( b ))) ( ) cos( b ( b ( ) sin( b r (16) que como función de la excentricidad se puede expresar con: α θ + α θ + α = ))) ( cos( ( e )))) ( cos( ( e sin e ( r 1 1 ( ) 1 4 (17) Diferenciando la expresión (16) para determinar el radio máximo para un ángulo de astigmatismo β se obtiene: = θ β θ β β + + = α β ))) cos( ) cos( )( b ( )cos b ( ( b d dr (18) de la cual se puede obtener fácilmente el ángulo de rotación de la elipse, para un ángulo oblicuo β predeterminado, considerando únicamente la raíz válida, que caracteriza el astigmatismo: β β β + + β + β θ = )) cos( )( b ( sin ) )cos( b ( b b b ) )cos( ( b ) )cos( b ( b cos m (19) donde el signo depende del cuadrante del astigmatismo y es equivalente a sgn(π/ - β). El ángulo de rotación expresado como función de la excentricidad es invariante con el escalado:

88 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: θ = cos e 6 7e + 4( 1+ e )cos( β ) ( + e )cos( 4β ) e + e + ( 1 + e e )cos( β ) sin β 3cos( β ) 5 (0) También se muestra en la figura 4 la representación temporal con los mismos parámetros de la figura 3 comparados con la función canónica seno. con un discriminante que garantiza una solución válida y real si 5 + cos( β ) 3cos ( β ) 1 cos( β ) < e < 1 sinβ (1) Definiendo el seno astigmático con parámetros predeterminados e y β verificados según (1), usando el ángulo de rotación θ según (0): e cos( ( β θ )) + e β sin e α = ± e cos( ( α θ )) + e sin α sinβ () para todo α en el primer semiplano usando el signo positivo, la cual es válida en ciertos dominios. A continuación se muestra la figura 3 usando las funciones anteriores con diferentes valores de excentricidad. Figura. 4. Representación temporal de la función βsin e α, para 0 α < π; con la convención de signos para los radios, con β = π/3 y e = 0,8, 0,9 y 0,999. Cuando e = 1, la función converge en una función impulso de amplitud nula, bastante útil para modelar problemas de ingeniería electrónica y espintrónica incluyendo la resonancia magnética. Como caso particular es importante resaltar que si β = nπ/ la solución tiende al límite: β π / sin e α (1 e )sin α = ± e + e cos(α) (3) Se observa en la Figura 5 la descripción de la función βsin e sin astigmatismo para diferentes excentricidades, función que puede ser útil para modelar funciones físicas y estadísticas. Figura. 3. Representación polar de la función r = β sin e α, para 0 α < π, con la convención de signos para los radios, con β = π/3 y e = 0,7, 0,75, 0,8, 0,85, 0,9, 0,95 y 0,98. Usando el mismo argumento utilizado para construir la función βsin e se establece todas las demás funciones trigonométricas, como: e cos(( β θ)) + e sin( α β) β cose α = m e cos(( α β + θ)) + e sin β (4) 88

89 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: y si β = π/ (1 e )cos α cose = ± e e cos(α) β π / α (5) Figura. 5. Representación temporal de la función βsin e α, para 0 α < π; ; con la convención de signos para los radios, con β = π/ y e = 0,45, 0,55, 0,65, 0,75, 0,85, 0,9 y 0,98. Conocidas las funciones fundamentales βsin e α y βcos e α se puede calcular la función generadora con r = β sin e α + β cos α (6) e Se ilustra esta función en la figura 6 para un astigmatismo particular. 4. APLICACIONES Estas funciones tienes numerosas aplicaciones en ingeniería. 4.1 Aplicación Óptica. El ojo emétrope ideal le corresponde generalmente una cornea perfecta de revolución, que en forma canónica tiene como sección cortada: z a = a r = i= 1 a + a r i r 4 i 4 + a r a r donde normalmente los coeficientes {a i } que caracterizan la geometría de la sección son reales y en su mayoría positivos; y los exponentes del polinomio característico son pares (6) Figura. 6. Representación tridimensional de la función de la función r = β sin e α + β cos e α en coordenadas paramétricas, con β = π/3, 0 α < π y la excentricidad e en el intervalo real menor que la unidad. La realidad biológica presenta una geometría corneal que se caracteriza por tener una forma tórica de revolución con ejes principales casi siempre ortogonales (Astigmatismo regular), donde la geometría de las secciones tóricas son funciones de un sistema polar: z ( α ) = a ( α )r a = i= 1 a i ( α )r + a ( α )r 4 i + a ( α )r +... (7) donde α varía entre 0 y π radianes, ya que z a (α) = z a (α + π) si se asumen toroides. La información suministrada por lo modernos topógrafos computarizados describen la superficie de

90 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: la cornea humana mediante zonas de isocurvatura con el mismo color como se observa en Figura 7. El astigmatismo corneal se indica con la dirección de los ejes principales del toroide de revolución que mejor se ajusta a la superficie corneal. a i ( θ ) = a = a si 0 α π/. i i ( θ ( θ α ) ai( θ0 + π / ) ) + sin α ai( θ0 ) (9) Reemplazando (9) en (8) se obtiene la expresión: z ( α ) = a i= 1 ai( θ0 + π / ) ( a i( θ0 ) + ai( θ0 ) sinα ) r i (30) así, la geometría de la sección del toroide de revolución se reduce a la variación armónica de la geometría de la sección que contiene el meridiano mas plano. Como normalmente las corneas se aplanan hacia la periferia, los coeficientes disminuyen cuando i aumenta; también cuando varían armónicamente, aumentan cuando α aumenta. Fig. 7. Topografía corneal computarizada de la córnea humana con alto astigmatismo corneal regular, el más común en la práctica clínica. Para la regresión estadística se usa principalmente la curvatura sagital. Donde por técnicas de regresión y correlación se puede formular la superficie corneal con la geometría de la superficie tórica de revolución que mejor se ajusta a la regresión de la superficie corneal puede ser especificada relativamente con relación al ángulo del eje principal θ 0 = θ Axis para un astigmatismo regular con z ( α ) = a ( θ a = i = 1 a 0 i + α )r ( θ 0 + α )r + a ( θ 4 i 0 + α )r (8) y 0 α π/ radianes, para caracterizar con un cuadrante toda la superficie, ya que el resto es simétrico. Considerando una variación armónica de la superficie tórica de revolución, todos los coeficientes {a i } pueden ser referenciados con una única expresión armónica: Si el astigmatismo es irregular con ejes no ortogonales, pero con secciones con geometrías de revolución, la geometría de la superficie tórica que mejor se ajusta puede ser especificada con una variación elíptica de la armonía, para un ángulo β entre ejes principales, usando la función βsin e α: z ( α ) = a i= 1 ai( θ0 + π / ) i ( a i( θ0 ) + β sine α ) r ai( θ0 ) (31) Este tipo particular de astigmatismo no es muy común en la práctica clínica, sin embargo se hallan casos asociados a keratoconos. Actualmente no se fabrican lentes tóricos para solucionar el error refractivo que genera el astigmatismo irregular simétrico y centrado con ejes no ortogonales. Estos lentes podrían fabricarse usando las modernas técnicas de fresado y erosionado de penetración CNC. 4. Aplicación Estadística. La función estandarizada βcos e α tiene practicas aplicaciones estadísticas con la gran ventaja de ser una función continua de probabilidad finita que se ajusta mejor a los valores reales de la naturaleza que 90

91 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: las funciones de distribución infinitas como la curva normal y las distribuciones T-Student, ya que son unimodales y pueden estar sesgadas a la derecha o a la izquierda con el parámetro β. A continuación se presenta la formulación para la distribución de probabilidad estandarizada con algunas de sus propiedades: Sea βcos e x, con -π/ x π/ una distribución de probabilidad para cierto valor de e, así, π / β cos e x dx = 1 (3) π / Reemplazando (4) en (3) π/ π/ e cos(( β θ)) + e sin( x β) = 1 cos(( )) dx e x β + θ + e sinβ (33) la cual es válida para un único valor de e si se predetermina β que corresponde al ángulo modal. Siendo de mayor utilidad práctica la distribución de probabilidad simétrica con β = π/, la excentricidad converge en el numero trascendental e = 0, para obtener la función de probabilidad estandarizada que satisface: Para obtener la función de distribución de probabilidad estandarizada f ( ( 1 e )cos x x ) = e e cos( x ) 0, cos x = , 0, cos( x ) (36) Donde la función generadora de momentos para la distribución simétrica corresponde a: M ( t ) = π / π / t x f ( x) dx (37) donde verificar que la media M (1) = x =0 y la varianza M () = σ 0, Si la excentricidad no está estandarizada, la varianza tiene como dominio 0 σ π / - 4. En la Figura 7 se presenta la función de probabilidad acumulada sin la excentricidad estandarizada. 1 1 esin x sin e + tan 1 e P ( x) = (38) 1 1 e sin e + tan 1 e π / (1 e )cos x dx = e e cos(x) 1 e e π/ sin 1 e = 1 (34) Como la función (34) no tiene solución analítica, la solución para la excentricidad e es trascendental y se obtiene el valor mediante aproximación por series de 1 e sin e = 1 e e 1 n= 1 e n 1 Γ( n 1 / ) e = 1 ( n 1) π Γ( n ) (35) Figura. 7. Representación tridimensional de la función de probabilidad acumulada para todas las excentricidades calculada con la expresión (38). 91

92 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CONCLUSIONES Se espera que estas simples funciones permitan mejorar la calidad de nuestras vidas, mejorando en especial la salud visual y simplificando los modelos estadísticos. REFERENCIAS Kincaid, D., Cheney, W. (1994). Análisis Numérico: Las Matemáticas del cálculo científico. Addison- Wesley Iberoamericana. Valencia E., Juan C y Bedoya C., Álvaro H. (009). Regresión y correlación de superficies ópticas de revolución en forma canónica: Conocidos los radios de curvatura. Revista EIA ( En proceso.). 9

93 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: LOS PROCESOS; PUEDEN SER BASE DE LA CONFIGURACIÓN ORGANIZACIONAL DE LAS EMPRESAS? Hernán Darío Cortés Pérez Profesor, Escuela de Ingeniería de Antioquia Alto de Las Palmas Km +00 Variante Aeropuerto José María Córdova Envigado, Antioquia Resumen: En la actualidad existen diversos métodos para la identificación de procesos y el diseño de la arquitectura organizacional de una empresa que ha adoptado e implementado la gestión por procesos como modelo de gestión moderno. De allí, la Cadena de Valor y el Mapa de Procesos son los dos instrumentos más aplicados en el medio empresarial colombiano, pero con una marcada confusión en su diferenciación, interpretación y utilidad. Palabras clave: proceso, valor, gestión, cadena de valor, mapa de procesos, cliente, calidad total.. LA GESTIÓN POR PROCESOS 1. INTRODUCCIÓN El presente documento presenta inicialmente, una descripción completa del significado de la gestión por procesos y su forma de expresarlo estructuralmente en una organización (organización horizontal). Con ello, se presenta una metodología para la identificación y clasificación de los procesos y los métodos que pueden emplearse. La ponencia es el resultado del proceso de investigación del Semillero Gerencia de Procesos desarrollado en el primer semestre de 009, con énfasis en la exploración con tres fuentes claves: docentes universitarios, consultores y ejecutivos responsables del tema en empresas del medio. Después de la consolidación de la Administración de la Calidad Total como modelo eficaz para enfocar la empresa al cliente y generar altos niveles de satisfacción en ellos, mediante el mejoramiento de las condiciones y aspectos inherente a la calidad de los procesos, productos y servicios, aparece a principios de los años 90 una nueva forma de administrar las organizaciones, rompiendo con los esquemas habituales de estructurar, dirigir y controlar una organización. La gestión por procesos es un modelo de gestión empresarial que concibe a una organización como una serie de procesos interrelacionados y enfocados al cliente final, mediante la creación de valor por su 93

94 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: forma diseñarlos y administrarlos con el propósito de lograr la efectividad organizacional. Este modelo implica un cambio de paradigmas en la forma como se piensa y hace el trabajo, lo cual requiere de un cambio de actitud de las personas que integran la organización, dejar de lado las prácticas habituales del desempeño actual y concentrarse en las nuevas habilidades y conocimientos requeridos para un cambio estructural en la organización. La transformación organizacional se convierte en el eje de la administración de una empresa bajo este enfoque en la cual los nuevos paradigmas y prácticas administrativas se adhieren y relacionan estrechamente con la gestión por procesos: sistemas de calidad, nuevos desarrollos en la tecnología de la información, globalización, trabajo en equipo, empoderamiento, outsourcing, alto nivel educativo de las personas, gestión por competencias y control de gestión orientado por el modelo balanced scorecard. Actualmente los clientes ven al proveedor potencial como una entidad total. Esperan que cada interacción sea un placer. Esperan que el vendedor sea amable y conocedor, que la sala de ventas sea limpia y agradable; las facturas legibles y exactas; los empaques atractivos y fáciles de abrir; el personal de servicio sensible y competente, la respuesta al teléfono al segundo timbrazo, sin que se dejen las llamadas en espera (Harrington, 1999). De esta forma se denota que el cliente adquiere bienes y servicios de aquellas empresas que le generan un verdadero valor, tangible o perceptible, lo cual constituye sus atributos o características esenciales. James Harrington (1999) afirma que para coordinar estos momentos de verdad, deben cambiar las formas de pensar, actuar y hablar. Tiene que dejar de pensarse en la estructura organizacional y empezar a centrarse en los procesos que controlan estas interacciones con el cliente. Pasar de una orientación organizacional a una orientación de proceso es un cambio cultural muy difícil. Esto requiere un replanteamiento fundamental en el manejo de la organización. El cambio no es fácil. Se trata de un cambio de enfoque; no continuar con la orientación hacia adentro con el propósito de definir cómo hacemos mejor lo que estamos haciendo (incremento de la productividad mediante el aumento de la oferta de productos y servicios, con un enfoque basado en la eficiencia), sino con una orientación hacia afuera, es decir, por qué y para quién lo hacemos (incremento de la calidad de los productos y en forma consecuente del nivel de satisfacción del cliente, con un enfoque basado en la eficacia). De esta forma su orientación está focalizada hacia el cliente final, actor clave dentro de sus grupos de interés. Los expertos en esta temática plantean que su entendimiento es alto cuando se concibe como sistema compuesto por tres elementos claves: Identificación de los procesos del negocio Medición y control Mejoramiento de procesos Como sistema de gestión de la calidad, la gestión por procesos tiene como principal objetivo aumentar los resultados de la empresa a través de conseguir niveles superiores de satisfacción de sus clientes. Pues bien, las diferentes metodologías para gestionar la mejora de los procesos persiguen incrementar la satisfacción percibida además de un importante aumento de la productividad a través de la reducción de costos internos innecesarios, la reducción del tiempo del ciclo, mejoramiento de la calidad y el valor percibido por el cliente e incorporación de actividades adicionales de servicio (Pérez-Fernández De Velasco, 1999). 3. ORGANIZACIÓN POR PROCESOS Nace de esta forma dentro del movimiento de la calidad, la concepción de la organización como un conjunto de procesos que generan un bien o servicio de valor para el cliente. Teoría y práctica que han venido evolucionando a partir de la segunda mitad del siglo XX. El siguiente proceso es su cliente establecieron los japoneses. Esto fue un paso adelante en la concepción de una organización como 94

95 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: un conjunto de procesos interrelacionados. Los procesos son las actividades estructuradas sistemáticamente para producir un resultado que tenga valor para unos clientes. La orientación hacia los procesos implica énfasis en la forma como se realiza el trabajo en la organización, identificando y gestionado los diferentes procesos, en contraste con el énfasis en qué se produce (Mariño, 004). Ver figura 1. PROVEEDOR PROCES O A Insumos PROCES O B Retroalimentación Resultados CLIENTE PROCES O C Figura.1 Interrelación de los procesos La Estructura de las organizaciones funcionales se ha expresado habitualmente en los llamados organigramas donde se determinan los niveles de responsabilidad, autoridad y relaciones entre empleados; análogamente, las organizaciones por procesos describen generalmente su estructura por medio de la Cadena de Valor o el Mapa de Procesos, donde se describe en forma esquemática y gráfica como está estructurada la compañía, es decir, se desdobla o desagrega la empresa en un conjunto de procesos de alto valor agregado enlazados de manera sistémica, lo cual permite definir básicamente cómo funciona la empresa para responder a las necesidades, gustos y expectativas de los clientes. Tradicionalmente, las empresas se han estructurado como organizaciones por departamentos funcionales o áreas especializadas gerencia, mercadeo, finanzas, producción, informática- que poco tienen que ver con las necesidades del cliente. La Organizacional Funcional orientada hacia adentro y donde se desdobla el conocimiento a través de una estructura jerárquica, queda obsoleta. El nuevo escenario organizacional denominado Organización por Procesos se caracteriza por la orientación de la empresa al cliente, procesos de ciclo corto y de alto valor agregado, estructura organizacional por procesos y no por áreas funcionales, integración de conocimiento en grupos autónomos, puestos de trabajo multifuncionales, pocos niveles jerárquicos. Las unidades organizacionales tienen nombre definidos pero los procesos no. Es así como los procesos aparecen fragmentados, muchas veces invisibles por la estructura organizacional y, lo que es más grave, los procesos tienden a no tener gerencia, ya que la alta gerencia responsabiliza a los gerentes por rendir cuentas de un área o departamento en particular, pero no se asigna la responsabilidad por el trabajo completo, esto es, por el proceso. La consecuencia de la concentración en funciones es que nadie es responsable del proceso, pero hay muchos responsables por partes del mismo que afectan la competitividad de la organización (Mariño, 004). El Ingeniero Gustavo Robledo (005) conceptúa con respecto a este tipo de organizaciones que por su naturaleza de sistema, la dinámica de todos sus componentes (procesos) debe ser propia y por lo tanto, deben activarse por sí solos, atraídos por la fuerza de los objetivos centrales y desarrollándose coherentemente con las exigencias o requerimientos de ellos, minimizándose en consecuencia la existencia de jerarquías de mando y supervisión. Además este consultor organizacional plantea que el diseño organizacional antes que todo, debe expresar y revelar las interrelaciones principales de los procesos dentro de la red que componen, para la agregación de valor y la estructura básica de ellos. Por su parte Daft (000) plantea que las organizaciones modernas se alejan de las viejas estructuras formadas funcionalmente y que dan prioridad a la cúspide, hacia una forma que elimina prácticamente la jerarquía vertical y los antiguos límites departamentales. Este tipo de organizaciones se han denominado horizontales y se caracterizan por: Estructura creada alrededor de flujo de trabajo o procesos. La jerarquía vertical se aplana. Las tareas de administración se delegan hasta el nivel más bajo posible creando equipos de trabajo interdisciplinarios y autodirigidos. Los clientes impulsan este tipo de organizaciones. Para que el diseño horizontal funcione, los procesos deben basarse en la satisfacción de las necesidades del cliente. 95

96 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: El consultor empresarial Frank Ostroff (1999) plantea en su libro La organización horizontal que la dinámica administrativa mediante la cual se hace efectiva el modelo de organización por procesos, se da de la siguiente forma: Las únicas jerarquías que prevalecen, son las fundadas en el conocimiento y dominio de los procesos y ellas deben enfocarse a tomar las decisiones principales inherentes a ellos y a liderar los equipos de trabajo. Los equipos de personas y no los individuos deben ser el esquema de trabajo para el desempeño de los procesos, desapareciendo entonces, toda forma de trabajo individualizado o independiente. Cada persona al interior de cada equipo de proceso, debe tener atribuciones para tomar las decisiones directamente relacionadas con sus actividades dentro del flujo del proceso y autocontrolarse en la eficiencia y eficacia de sus acciones. Integración de proveedores y clientes internos y externos al flujo de los distintos procesos. Utilización intensiva y plena de la tecnología de la información (informática) para facilitar las decisiones y actuaciones de las personas en tiempo real y en forma interactiva y si es del caso, virtual. Relevancia de las competencias múltiples de las personas para actuar en forma multifuncional e interrelacionada en las distintas posiciones de intervención de los procesos. Responsabilidad y compromiso de todos cuantos intervienen en un proceso, con los resultados intermedios y finales del mismo. Responsabilidad y compromiso de todos cuantos intervienen en cada proceso con el mejoramiento continuo, la optimización y la flexibilidad del mismo. Inexistencia de toda independencia funcional de las unidades organizacionales (Gerencia, Departamentos, Divisiones, Secciones, Procesos), exigiendo de ellos un trabajo estrechamente interrelacionado en virtud de las causas de los resultados de los procesos. Medición de los objetivos de desempeño al final de los procesos (relacionados con su propuesta de valor), así como la satisfacción tanto de los clientes como de los empleados y de la contribución económica. Se concibe de esta forma que las organizaciones funcionales se caracterizan por formalizar el trabajo mediante una estructura jerárquica, distribución por áreas especializadas e independientes unas de otras, que subdividen el trabajo por personas en partes pequeñas, y lo controla mediante un flujo de órdenes, decisiones, acciones e informaciones permanentes en sentido vertical. Por su parte, las organizaciones horizontales son aquellas que orientan el trabajo básicamente hacia la satisfacción de las necesidades y expectativas del cliente, mediante el diseño de procesos de alto valor agregado; lo cual implica un cambio de paradigmas en la forma de hacer las cosas. 4. IDENTIFICACIÓN DE PROCESOS La primera fase para la aplicación de la gestión por procesos en una empresa en su acertada identificación y clasificación a partir de selección y adopción de un método aprobado por la organización, efectuando sistemáticamente los siguientes pasos: i. Análisis del marco estratégico. Estudio del plan estratégico de la organización, principalmente de las declaraciones de la misión y la visión, tomadas como fuentes primarias para la identificación de los diferentes tipos de procesos. ii. Identificación de clientes. En forma simultánea al paso anterior, se determinan cuáles son los clientes de la organización y se realiza su correspondiente tipificación (internos y externos, directos e indirectos). iii. Identificación de productos/servicios a suministrar. Una vez se identifican los tipos de clientes, se continúa con la definición de 96

97 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: iv. los productos o servicios que cada uno de estos requieren para satisfacer sus necesidades y expectativas. Definición y clasificación de procesos. Este es el paso fundamental que consiste en puntualizar cuáles son los procesos clave de la organización que generarán los productos y servicios requeridos por los clientes. Seguidamente se clasifican en función de su impacto o su contribución real al logro de los objetivos organizacionales (estratégicos, primarios, soporte), empleando el ciclo PHVA (Planear Hacer, Verificar, Actuar). v. Determinación de relaciones. Representación gráfica de la interrelación de los procesos clave mediante el uso de herramientas como la Cadena de valor o el Mapa de Procesos, que permite establecer cómo fluye el trabajo a través de la organización. vi. Desdoblamiento de procesos. Desagregación sistemática de los subprocesos componentes de cada proceso por medio de un análisis grupal y la verificación de cada uno de ellos de su contribución al objetivo de dicho proceso, empleando así mismo el ciclo PHVA. vii. Documentación de procesos. Diagramación y caracterización de los diferentes procesos clave identificados mediante el empleo una serie de formatos y documentos prediseñados. 5. DIFERENCIA ENTRE CADENA DE VALOR Y MAPA DE PROCESOS 5.1 Cadena de Valor La Cadena de Valor puede definirse como una herramienta que permite configurar a una empresa como un conjunto de procesos orientados a diseñar, producir, comercializar, entregar y apoyar sus productos o servicios. La Cadena de Valor es esencialmente una forma de análisis de la actividad empresarial mediante la cual descomponemos una empresa en sus partes constitutivas, buscando identificar fuentes de ventaja competitiva en aquellas actividades generadoras de valor. Esa ventaja se logra cuando la empresa desarrolla e integra las actividades de su cadena de valor de forma menos costosa y mejor diferenciada que sus rivales (Porter, 006). En otros términos, al analizar cada proceso en forma separada, los gerentes, directores y jefes de área pueden evaluar el valor que tienen las actividades que conforman los procesos, con el propósito de hallar ventajas competitivas sostenibles para la compañía. Al analizar en forma sistemática las actividades internas de la empresa, se puede apreciar la medida en que cada actividad puede añadir valor y contribuir significativamente en la formulación de una estrategia eficaz; es decir, la efectividad de cada actividad afecta al éxito de la empresa en su estrategia de bajar costos, reducir tiempos, aumento de la calidad, efectividad en el servicio. En otros términos, puede afirmarse que la Cadena de Valor describe también cómo la empresa compite. De allí que la Cadena es una herramienta estratégica que sirve para ver cómo podemos competir mejor; cómo podemos lograr más ventajas competitivas. Permite tener una visión amplia y completa de todo lo que sucede en su contexto, tanto al interior de la empresa, como en su entorno competitivo y cambiante (medio externo). El valor se concibe como la suma de los beneficios percibidos que el cliente recibe menos los costos percibidos por él al adquirir y usar un producto o servicio. Una empresa es lucrativa si el valor que impone excede a los costos empleados en crear los productos. El crear el valor para los compradores que exceda el costo de hacerlo, es la meta de cualquier estrategia genérica. El valor en lugar del costo, debe ser usado en el análisis de la posición competitiva, ya que las empresas con frecuencia elevan deliberadamente sus costos para imponer un precio superior por medio de 97

98 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: la diferenciación (Porter, 006). La composición de la Cadena de Valor está dada por tres elementos básicos: procesos primarios, procesos de apoyo y margen de rentabilidad. Ver figura. Mercadeo y Ventas.. Actividades relacionadas con la información que detalla cuáles son los compradores que podrían comprar el producto y cuáles son los mecanismos para inducirlos a la compra. Por ejemplo: publicidad, promoción, fuerza de ventas, selección de canales, relación con canales de distribución. D E A P O Y O Servicio. Actividades relacionadas con proveer servicios para acrecentar o mantener el valor del producto luego que el comprador lo adquirió. Por ejemplo: instalación, reparación, cambio de accesorios, ajuste del producto. En el caso de una empresa de servicios comprende los siguientes procesos: Innovación. Identificación y cambios de las necesidades y expectativas de los clientes y la definición de la oferta de servicio. ACTIVIDADES Figura. Cadena de Valor según Michael Porter Procesos básicos. Se denominaron inicialmente actividades primarias las cuales hacen referencia a las categorías básicas que intervienen en el esquema competitivo de cualquier sector industrial. Son aquellos procesos orientados a cumplir con el objetivo social de la empresa y están directamente relacionados con el cliente. En el caso de una empresa industrial comprende los siguientes procesos: Logística de Entrada. Actividades asociadas a la recepción, almacenaje, distribución de materia prima a producción, manejo de materiales, control de inventarios, pagos a proveedores. Operaciones. Actividades relacionadas con la transformación de la materia prima en producto final. Logística de Salida. Actividades relacionadas con las cobranzas, distribución física del producto a los compradores, almacenamiento de producto terminado, manejo de materiales, procesamiento de pedidos y programación, medios de entrega. Adaptación. Especificación detallada del portafolio de servicios según las necesidades y expectativas de los clientes. Activación. Entregar el servicio prometido, es decir, cumplir la oferta de servicio. Relación comercial. Evaluación de la satisfacción del cliente y verificación del cumplimiento de la oferta del servicio. Procesos secundarios o de apoyo. Están orientados a lograr los objetivos institucionales y se conocen como procesos de soporte, los cuales son necesarios para que se realicen los procesos básicos. Administración de Recursos Humanos. Actividades relacionadas con la selección, contratación, entrenamiento, desarrollo, compensación y distintos aspectos asociados a la gestión de personal de una empresa. Desarrollo Tecnológico. Cada actividad de valor representa tecnología, sean conocimientos (Know how), procedimientos, o la tecnología informática (comunicaciones, hardware, software, mantenimiento). Abastecimiento. Consecución de insumos requeridos por los procesos de la Cadena de 98

99 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Valor, tales como: maquinaria, equipos, contratación de empresas, papelería, etc. Infraestructura. Comprende las actividades de administración general, planeación financiera, contabilidad, costos, impuestos, administración de la infraestructura física. procesos. El Mapa de Procesos puede definirse como la representación gráfica que permite la identificación de los procesos de una organización y su interrelación por medio de flechas que determina el flujo del trabajo. Margen de Rentabilidad. Diferencia entre el valor total y los costos totales incurridos por la empresa para desempeñar las actividades generadoras de valor. Porter (006) fue más allá del concepto de la Cadena de Valor, extendiéndolo al Sistema de Valor, el cual considera que la empresa está inmersa en un conjunto complejo de actividades ejecutadas por un gran número de actores diferentes. De allí que puedan identificarse por lo menos las siguientes cadenas de valor integradas a la de la organización objeto de análisis: Cadenas de Valor de los proveedores, las cuales crean y entregan los insumos a la propia cadena de valor de la empresa. Estos incurren en costos para efectuar estas operaciones. Cadenas de Valor de los canales, constituidos en mecanismos de entrega de los productos de la empresa al usuario final o al cliente. También generan costos al desarrollar sus actividades. Cadenas de Valor de los compradores, que son la fuente de diferenciación por excelencia, puesto que en ellas la función del producto determina las necesidades del cliente. Para obtener y mantener la ventaja competitiva es necesario no sólo efectuar un análisis de la cadena de valor de la empresa, sino cómo se articula con las otras cadenas de los actores con los cuales se relaciona. 5. Mapa de Procesos El Mapa de Procesos es una herramienta empleada, en forma generalizada, por los expertos en sistemas de gestión de la calidad a raíz de los requisitos generales establecidos en las Normas ISO 900:008, específicamente en el apartado 4.1 que establece que la organización debe a) identificar los procesos necesarios para el sistema de gestión de la calidad y su aplicación a través de la organización y b) determinar la secuencia e interacción de estos También puede definirse como una aproximación que define la organización como un sistema de procesos interrelacionados. El mapa de procesos impulsa a la organización a poseer una visión más allá de sus límites geográficos y funcionales, mostrando cómo sus actividades están relacionadas con los clientes externos, proveedores y grupos de interés. Tales "mapas" dan la oportunidad de mejorar la coordinación entre los elementos clave de la organización. Asimismo dan la oportunidad de distinguir entre procesos clave, estratégicos y de soporte, constituyendo el primer paso para seleccionar los procesos sobre los que actuar (Aiteco, 006). De esta forma se pueden distinguir en este método tres tipos de procesos descritos acertadamente por Gustavo Robledo (005): Primarios u operativos. Denominados también de atención o de servicio directo al cliente; son aquellas actividades a través de las cuales se generan los productos o se prestan los servicios, razón de ser de la organización, que satisfacen eficazmente los requisitos válidos del cliente. Secundarios o de apoyo. Denominados de soporte a los directos de atención y servicio al cliente. Se refiere a que son absolutamente necesarios para apoyar la activación de los procesos directos al cliente o la operación normal de la organización. Estratégicos. Denominados también estratégicos o de adaptación y crecimiento. Son aquellos que tienen como objetivo el asegurar la permanencia y desarrollo de la organización en el tiempo. Ríos (009) plantea que la manera más representativa de reflejar los procesos y su clasificación es a través de una estructura gráfica conocida como mapa de procesos. Este experto en calidad plantea tres posibles estructuras que se presentan a continuación en las figuras 3, 4 y 5. 99

100 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: C L I E N T E Figura.3 Mapa de Procesos clasificación en tres tipos C L I E N T E C L I E N T E P H H V A PROCESOS ESTRATÉGICOS PROCESOS OPERATIVOS PROCESOS DE APOYO PROCESOS DE PLANEACIÓN PROCESOS DEL NEGOCIO PROCESOS DE SOPORTE PROCESOS DE VERIFICACIÓN PROCESOS DE MEJORA Figura.4 Mapa de Procesos con ciclo PHVA PROCESOS DE PLANIFICACIÓN PROCESOS DE GESTIÓN DE RECURSOS PROCESOS DE REALIZACIÓN DEL PRODCUTO PROCESOS MEDICIÓN, ANÁLISIS Y MEJORA Figura.5 Mapa de Procesos con de clasificación en capítulos de la Norma ISO Diferencia entre Cadena de Valor y Mapa de Procesos A partir de la investigación exploratoria, en forma teórica y de campo, realizada por los miembros del Semillero Gerencia de Procesos, se infiere que C L I E N T E C L I E N T E C L I E N T E estas dos herramientas permiten describir gráficamente una organización como un conjunto de procesos pero su naturaleza y propósito en el diseño difieren sustancialmente por los siguientes aspectos: CADENA DE VALOR Se orienta a la generación de valor Permite identificar ventajas competitivas Está enmarcada en un concepto estratégico Establece dos categorías de procesos: primarios y de apoyo Muestra los procesos generales en bloque, sin secuencia lógica. 6. CONCLUSIONES MAPA DE PROCESOS Se orienta a la satisfacción del cliente Permite establecer la secuencia e interacción de los procesos Está circunscrito al cumplimento de las normas de calidad ISO Establece tres categorías de procesos: estratégicos, operativos y de apoyo. Muestra los procesos en detalle indicando su flujo y continuidad por medio de flechas (ciclo continuo). Del anterior ejercicio investigativo se puede resaltar lo siguiente: Los procesos se convierten en la base estructural para la configuración organizacional de una empresa lo que se expresa en la llamada organización horizontal dejando de lado las características tradicionales de las estructuras funcionales. De allí la necesidad de hacer evidente la distinción entre estos dos tipos de arquitecturas organizacionales y la evolución que se ha presentado. La aplicación de la gestión por procesos en una organización debe iniciarse debidamente con la acertada identificación de los procesos. Para ello, es indispensable adoptar una metodología 100

101 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: apropiada que brinde mayor confiabilidad y efectividad. La adopción e implementación de este modelo de gestión empresarial requiere la cabal comprensión y diferenciación entre dos herramientas o medios claves para la identificación de procesos: Cadena de Valor y el Mapa de Procesos, los cuales tienen similitudes pero varias características que las hace disímiles. REFERENCIAS Aiteco, C. (006). Aiteco consultores. Recuperado el 1 de Agosto de 009, de Giraldo, R. M. (009). Seguimiento, medición, análisis y mejora de los sistemas de gestión. Bogotá: ICONTEC Internacional. Harrington, h. james. mejoramiento de los procesos de la empresa. méxico: editorial mcgraw hill, p. Mariño, H. (004). Gerencia de Procesos. Bogotá: Alfaomega. Ostroff, frank. la organización horizontal. la forma que transformará radicalmente el desempeño de las organizaciones del siglo xxi. méxico: oxford, p. Pérez-Fernández De Velasco, J. A. (1999). Gestión por Procesos. Madrid: ESIC. Porter, M. (006). Ventaja Competitiva. Creación y sostenimiento de un desempeño superior. Mexico: Ediciones Continental. Robledo C, Gustavo. Memorias de asesorías y consultorías

102 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: LA INJERENCIA DE LOS PROCESOS DEL NEGOCIO EN EL PROCESO DE DESARROLLO DE SOFTWARE Marta Silvia Tabares Betancur 1, Christian Lochmüller 1 Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Ingeniería Informática. Grupo de Investigación GIISEIA Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Ingeniería Administrativa Grupo de Investigación en Gestión Financiera Resumen: En los últimos años, las organizaciones están tomando conciencia de la importancia de identificar y estandarizar los procesos del negocio para alinearlos con la gestión de las tecnologías de información y comunicación. Sin embargo, dicha alineación requiere un trabajo especializado y coordinado que asegure una relación constante entre estos. Este artículo presenta algunos escenarios de interacción entre los procesos de negocio y el proceso de desarrollo del software. A partir de la identificación de los elementos y las características de cada uno de estos procesos se establece donde, qué y cómo ellos deben interactuar. Así, los escenarios se convierten en un medio que permite monitorear los cambios del negocio para aplicarlos de una forma efectiva en las tecnologías de información y fortalecer la gestión del conocimiento. Palabras clave: Gestión por Procesos, Productos de Software, Control del Cambio, Gestión de la Configuración, Proceso de desarrollo de software, Arquitecturas empresariales. 1. INTRODUCCIÓN Los procesos del negocio y las tecnologías de información y comunicación (TIC) no son hechos separados en una organización. Por el contrario tienen una relación directa y una dependencia mutua. Si bien es cierto que la tecnología nunca deberá dictar como ejecutar los procesos del negocio, esta proporciona un medio para automatizarlos y lograr que la gestión de las organizaciones sea más eficiente (Restrepo, 006). Sin embargo, no es frecuente encontrar métodos o técnicas que integren las prácticas de la gestión por procesos con las actividades de tecnologías de información (Ulrich, 007). Mucho menos se usan métodos que faciliten la identificación del impacto que pueden causar los cambios que se hacen desde los procesos operativos del negocio hacia los elementos del proceso de desarrollo y viceversa. A raíz de esta problemática, en este artículo se definen escenarios de interacción entre los procesos del negocio y el proceso de desarrollo de software, 10

103 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: para determinar dónde, qué y cómo se controlan los cambios que ocurran entre ambos procesos. Para lograr esto se identifican algunas características del proceso de negocio y su gestión, disciplinas, fases y elementos de modelo del proceso de desarrollo. Así, los escenarios se convierten en un medio que permite monitorear los cambios del negocio para aplicarlos de una forma efectiva que fortalezca el uso de las TIC y la gestión del conocimiento en el tiempo.. GENERALIDADES DEL PROCESO DE NEGOCIO Smith y Fingar definen un proceso de negocio como un conjunto de actividades colaborativas y transaccionales que son coordinadas y entregan un valor agregado a los clientes como receptores de la salida de un proceso (Smith y Fingar, 007, p.47). Un proceso está asociado a uno o varios objetivos del negocio. Sus actividades son ejecutadas por los actores o participantes del proceso, están afectadas por eventos de entrada y salida, establecen flujos de control a través de acciones que dan identidad y funcionalidad al proceso, y además proveen o reciben información e interactúa con recursos internos o externos al negocio. La Figura 1 ilustra estos elementos como parte de un modelo del proceso de negocio para facilitar su estandarización entre los participantes. Figura 6. Modelo de Procesos de Negocio. La administración o gestión de los procesos de negocio, por sus siglas en inglés el BPM (Business Process Managment), se realiza mediante el giro permanente del ciclo PHVA (planear, hacer, verificar y actuar) que representa la concepción básica de la gestión (Agudelo y Escobar, 007, p. 0). Consecuentemente, BPM constituye un enfoque innovador que orienta el uso de las TIC ya que el ciclo PHVA provee la información necesaria para que los ingenieros de tecnologías de información tomen decisiones coherentes a las metas del negocio y no como componentes aislados que proveen funciones específicas. De esta forma el BPM facilita el continuo mejoramiento de los procesos de negocio y de los recursos TIC que lo soportan con el fin de atender adecuadamente los cambios del mercado que impactan la organización. Por lo tanto es importante mantener la alineación entre los objetivos de la organización y sus procesos como la forma de alcanzar mejoras sostenibles y una reducción significativa en el costo de desarrollo, mantenimiento y actualización de los sistemas informáticos (Jeston y Nelis, 006). 3. EL PROCESO DE DESARROLLO DE SOFTWARE Y SU RELACIÓN CON EL PROCESO DE NEGOCIO Las organizaciones invierten en aplicaciones robustas que soportan los procesos que ejecutan sus áreas de negocio (Jeston y Nelis, 006). Por ejemplo, el departamento de mercadeo se apoya en aplicaciones tipo ECM (Enterprise Content Management) para informar al cliente de sus productos y servicios; el departamento de ventas se apoya en aplicaciones tipo CRM (Customer Relation Management) para hacer la gestión de ventas y la relación con los clientes; el departamento de compras se apoya en aplicaciones tipo SCM (Supply Chain Management) que facilita la administración de la cadena de suministros y mantiene la relación con los proveedores; finalmente, el departamento de entregas de productos (o servicios) se apoya en aplicaciones tipo ERP (Enterprise Resource Planning) que permiten procesar la orden y enviar una factura. Actualmente, grandes compañías desarrolladoras de software a nivel mundial se especializan en este tipo de aplicaciones cubriendo mercados de gran envergadura. Algunas de las más representativas son: - Oracle (http://www.oracle.com/us/products/application s/index.htm). - SAP (http://www.sap.com/solutions/index.epx). 103

104 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: No obstante, cuando se desarrollan o implantan aplicaciones de este tipo, es imprescindible conocer el proceso de negocio involucrado. Esto asegura que las aplicaciones se articulen con la estructura de la organización y satisfagan realmente las necesidades de los usuarios. Si el proceso no existe o está desactualizado (no sigue el ciclo PHVA), estas aplicaciones impactarán fuertemente el quehacer de la organización o simplemente se rechazarán. También es posible encontrar que la implantación de aplicaciones tipo ERP provoquen cambios en los procesos de negocio, ya que estos sistemas implementan buenas prácticas que no aplican siempre a todo tipo de organización (Smith, 005, p. 11). Actualmente diferentes metodologías de desarrollo o implantación de software están asociadas al modelado del negocio. Específicamente en este artículo tratamos con la metodología RUP (Rational Unified Process) ya que es el más usado por las compañías desarrolladoras de software de nuestro medio. La Figura ilustra las fases y disciplinas de la metodología de desarrollo de software RUP. Específicamente, la disciplina del modelado del negocio (business modeling) toma como fuente el modelo del proceso de negocio para lograr decisiones tecnológicas, modelar el negocio en diagramas UML, capturar requisitos del usuario y del sistema e identificar el riesgo crítico del desarrollo de la aplicación (Arlow y Neustad, 005). del negocio. La construcción de estos tiene en cuenta actividades tales como la identificación de procesos del negocio, su refinamiento en caso de ser necesario, el diseño de estos con los diferentes elementos que interactúa, y la actualización de los roles y las responsabilidades. Esto permitirá tomar decisiones con respecto a su automatización, la definición del modelo del dominio del problema en el entorno de la organización y la definición del grupo del proyecto que apoyará el desarrollo o implantación del software (Arlow y Neustad, 005; Ambler et al., 005). Aunque esta disciplina es transversal a la mayoría de fases del proceso de desarrollo, sus actividades se realizan casi en su totalidad en la fase de inicio (inception). Las siguientes fases soportan posibles cambios en los proceso de negocio, ya sea por exigencias del mercado o del nuevo sistema (aunque esta situación no está especificada en el flujo de la disciplina definida por RUP). 4. ESCENARIOS DE INTERACCIÓN El ciclo de vida de desarrollo o implantación de las aplicaciones de software debe ser consistente con el BPM y su ciclo PHVA. Por esta razón, es necesario definir la interacción entre estos e identificar escenarios donde el proceso de negocio interviene de forma importante en el proceso de desarrollo o implantación de software. La Figura 3 ilustra de forma general la interacción ción entre los procesos de desarrollo y de negocio. Figura 7. Proceso Unificado de desarrollo de Software (www-01.ibm.com/software/ar/rational/ru 01.ibm.com/software/ar/rational/rup.shtml). El flujo de trabajo de la disciplina de modelado del negocio inicia con la evaluación del estado de los procesos a partir de las estrategias de la organización lo cual guía y posibilita la definición de los modelos Figura 8. Definición general de la Interacción entre el Proceso de negocio y el Proceso de desarrollo de software. La interacción bidireccional establecida entre estos dos procesos se define a partir de escenarios que determina donde, qué y cómo se controlan los 104

105 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: cambios que ocurran en el negocio e impacten el desarrollo del software, y viceversa. Esto significa que cualquier cambio que ocurra en alguno de los dos procesos debe ser evaluado y verificado con respecto al estado del proceso directamente afectado y al impacto que uno tiene en el otro. Por ejemplo, el proceso de ventas de una organización podría tener una dependencia con un libro electrónico en Excel ya que el actor lo utiliza para registrar y procesar información de las ventas mes a mes. Si la definición de este recurso cambiara durante el proceso de desarrollo o implantación del software se deben identificar y cambiar los modelos o elementos que afecta el cambio; en este caso podría ser la base de datos del sistema CRM o el ERP. De esta forma se podría garantizar la consistencia entre el proceso de ventas y los productos de software que lo soportan. En otras palabras, los escenarios de interacción debe monitorear la injerencia del proceso de negocio cuando pasa por un ciclo PHVA, ya que esto podría generar cambios significativos en los modelos o productos de software, y en el caso contrario estos generar cambios en el proceso de negocio. Se definen los siguientes escenarios de interacción: - Escenario 1. PHVA Fase de Inicio: escenario definido por las actividades del flujo de trabajo de la disciplina de modelado de negocio, o por un ciclo PHVA del proceso de negocio. Esta disciplina provee los elementos y actividades necesarias para definir o refinar un proceso de negocio que será implementado en una aplicación. La información que proveen los modelos o documentos asociados al proceso de negocio, las reglas del negocio, la estructura organizacional, el modelo del dominio, y el glosario del negocio, son suficientes para definir un modelo de requisitos, la arquitectura de software inicial y establecer un plan de proyecto informático. - Escenario. PHVA - Fases de Elaboración: este escenario monitorea la ejecución de un ciclo PHVA e identifica los elementos del proceso que cambian. Si una de las actividades del proceso de negocio desaparece, automáticamente se deben identificar los elementos impactados en los modelos de requisitos, análisis y diseño del software. De igual forma, las iteraciones e incrementos que se logren en productos software podrían generar cambios en las actividades del proceso de negocio o en algunos recursos externos a este, provocando así la ejecución de un ciclo PHVA. - Escenario 3. PHVA Fase de Transición: este escenario monitorea la ejecución de un ciclo PHVA cuando el proceso del negocio ha sido implementado en una aplicación de software. Este escenario identifica los modelos de despliegue, migración, pruebas e implantación que se pueden afectar por cambios en el proceso de negocio. Este escenario es muy importante en la medida que la ejecución de un ciclo PHVA implica tareas de negociación (prospección, cotización, solicitud) entre los proveedores del producto software y las áreas del negocio afectadas. En cada escenario es importante tener el apoyo de herramientas para el modelado del negocio con estándares de modelado como el BPMN (Business Process Modeling Notation el modelado del software con UML y la transformación al BPEL (www.oasis-open.org/committees/wsbpel/). Algunas de ellas podrían ser: el Enterprise Architect (http://www.sparxsystems.com.au/), Intalo Community Edition (http://community.intalio.com/), Oracle Business Process Analysis Suite (http://www.oracle.com/us/technologies/soa/ htm), WebSphere Business Modeler (http://www- 01.ibm.com/software/integration/wbimodeler/), entre otras. También pueden aportar herramientas de análisis del proceso como el Business Activity Monitoring (BAM) el cual efectúa la comparación de la situación as-is (la situación actual) con la situación to-be (la situación deseada) con respecto a los procesos en tiempo real. BAM se apoya en la definición de medidas para mejorar un proceso (Jeston y Nelis, 006, p. 387). Algunas de las más comerciales son: WebSphere Business Monitor (http://www- 01.ibm.com/software/integration/wbimonitor/), Oracle Business Activity Monitoring (http://www.oracle.com/appserver/business-activitymonitoring.html), Business Activity Monitoring Software (http://www.progress.com/psm/apama/ business-activity-monitoring/index.ssp), entre otras. 105

106 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: CONCLUSIONES En este artículo se presenta diferentes escenarios de interacción entre los procesos de negocio y el proceso de desarrollo de software. Esos escenarios se convierten en un medio que permite establece las características de monitoreo de los cambios del negocio para aplicarlos de forma efectiva en las tecnologías de información y así fortalecer la gestión del conocimiento en las organizaciones. Los escenarios de interacción se proyectan como artefactos de control en el diseño de las arquitecturas empresariales. Así, se facilita la creación y transformación de servicios informáticos que provean soporte a los procesos del negocio de la empresa con la base técnica y tecnológica de arquitecturas orientadas a servicios (SOA - Agudelo, L. F., y Escobar, J. Gestión por Procesos (cuarta edición). Ed. por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC. Octubre de 007. Smith, H. From CIO to CPO via BPM The next generation of enterprise automation. A CSC. Consulting System Integration Outsourcing White paper. Sep-005. Disponible en: %0CSC%0Howard%0Smith.pdf. Citado el 17-Sep-009. Ulrich, W. Business Architecture: Turning Strategy into Actionable Results. BPMInstitute.org Disponible en: e/business-architecture-turning-strategy-intoactionable-results.html. Citado el 17-Sep-009. El tema tratado en este artículo hace parte de los avances en la investigación del proyecto Criterios de interacción entre modelos de desarrollo y modelos del proceso de negocio. Su ampliación, aplicación y perfeccionamiento se adelantando y se presentará en nuevas publicaciones. RECONOCIMIENTOS Agradecemos la participación de los auxiliares de investigación Carlos Villegas y Santiago Calad del programa de Ingeniería Informática que colaboraron en la consecución y análisis de la información que aportan a este artículo. REFERENCIAS Smith, H., y Fingar, P. Business process management: the third wave, 4. ed Restrepo, L.M. Una Revisión de Metodologías Orientadas a Procesos para el Análisis de Sistemas de Software. Trabajo de Grado Escuela de Ingeniería de Antioquia Jeston, J., y J. Nelis. Business Process Management. Practical Guidelines to Successful Implementations. Published by Elsevier Ltd Arlow, J., y Neustad, I. UML and the Unified Process: Practical Object-Oriented Analysis and Design (nd Edition). Addison-Wesley Object Technology Series

107 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: UNA PROPUESTA INFORMÁTICA PARA SOPORTAR LA TELEPSIQUÍATRÍA EN COLOMBIA Marta S. Tabares Betancur 1, Lucas Hernandez Saldarriaga 1, Carlos Germán Ruiz Ibañez, 1 Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Informática. Grupo de Investigación GIISEIA. Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Biomédica EIA-CES. Grupo de Investigación GIBEC. Resumen: La telepsiquiatría es un área de la telemedicina por medio de la cual se proveen servicios de salud mental de forma remota. Específicamente en Colombia no se registran tratamientos bajo esta modalidad reconocidos en el sistema de salud pública. En este artículo se presenta una propuesta informática que apoya la prestación de servicios telepsiquíatricos. Para lograr esto se identifican las condiciones funcionales y tecnológicas requeridas, se definen diferentes aspectos a tener en cuenta para su implementación, se analizan las condiciones de uso asociadas y se ilustran las generalidades del modelo. El prototipo facilita el desarrollo y difusión de los servicios telepsiquíatricos en instituciones prestadoras de servicios de salud que puedan cubrir poblaciones necesitadas, vulnerables o aisladas que son propensas a presentar trastornos mentales y carecen de atención directa en su región. Palabras clave: telepsiquiatría, telepsiquiatría en Colombia, telemedicina. 1. INTRODUCCIÓN La telepsiquiatría es el área de la telemedicina o e- salud por medio de la cual se ofrecen servicios de cuidado en salud mental a través de tecnologías de la información y comunicación (TIC) (Hilty et al., 00). Algunos servicios son: evaluación y confirmación de diagnósticos, desarrollo de planes de cuidado clínico, terapia psiquiátrica, monitoreo a la adherencia al tratamiento, seguimiento de tratamiento y control, etc. Esta área de la telemedicina se ofrece como alternativa a la modalidad de consulta presencial y proveen nueva información y procesos de interoperabilidad entre la atención primaria y la secundaria (De las Cuevas et al., 006). En países como Estados Unidos de América, Australia, Nueva Zelanda, Reino Unido, entre otros, se demuestran experiencias en el uso de la telepsiquiatría para el tratamiento de trastornos mentales. Esto trae como experiencia la influencia de la tecnología de 107

108 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: telecomunicaciones y sistemas de información, además de variables del proceso clínico que deben soportar y garantizar los servicios prestados (Wootton et al., 003). En Colombia, el área de la informática médica para el tratamiento de enfermedades mentales, aún presenta poco uso de sistemas de información que soporten la consulta médica o generen valor agregado al tratamiento psiquiátrico. Además, necesidades muy precisas del sector de salud mental se han identificado desde el año 003 ya que los niveles de atención que el gobierno debe proporcionar a la población aún no se cubren suficientemente (Colombia Ministerio de la Protección Social, 003; Arango-Dávila, 008). La telemedicina en Colombia viene ofreciéndose tímidamente debido a elementos sociales, culturales y de educación que enfrenta la población tanto que proveen los servicios médicos y clínicos como de los pacientes que pueden acceder a ella (Montoya, 00; Aparicio, 001). No obstante, el gobierno e instituciones privadas de la salud están haciendo esfuerzos e inversiones significativas. El Ministerio de Protección Social fortalece las instituciones hospitalarias e IPS en el año 006 al emitir la Resolución 1448 por la cual se definen las Condiciones de Habilitación para las instituciones que prestan servicios de salud bajo la modalidad de Telemedicina. En esta se define la normatividad correspondiente a la prestación del servicio, la calidad de la historia clínica en telemedicina, la clasificación de las entidades que prestan servicios de salud bajo esta modalidad (se clasifican en Instituciones Remisoras y Centros de Referencia), las condiciones de capacidad tecnológica y científica, técnico administrativa y de suficiencia patrimonial, etc. (Resolución número 1448 de 006). Desde las instituciones de educación superior se están desarrollando servicios de telemedicina como es el caso del Centro de Telemedicina de la Universidad Nacional IPS (www.telemedicina. unal.edu.co/ips.php). Este, desde la investigación está trabajando en herramientas informáticas que soporten en línea la atención de usuarios en diferentes ramas de la medicina. Otros casos de atención particular como los servicios de telemedicina prestados por el Dr. Gonzalo E. Díaz M. (http://www.drgdiaz.com/ eco/telemedicina/index.shtml). En este artículo se presentan una propuesta de un sistema informático que podría facilitar la prestación de servicios telepsiquíatricos en lugares alejados de las grandes capitales. La implementación de sistemas de este tipo ayudaría a disminuir el bajo nivel actual de cubrimiento de los servicios de salud mental que reporta el ministerio de protección social y fortalecería el desarrollo de aplicaciones teleinformáticas que facilite la atención médica remota. El artículo está organizado de la siguiente forma. La Sección presenta el impacto de la telepsiquiatría en el mundo. La Sección 3 describe los requisitos tecnológicos para prestar los servicios telepsiquíatricos. La Sección 4 describe la propuesta informática objetivo de este artículo. Finalmente se concluye y se presenta el trabajo futuro.. EL IMPACTO DE LA TELEPSIQUIATRÍA EN EL SISTEMA DE SALUD MENTAL Desde sus inicios, la telepsiquiatría se ha utilizado en la asesoría de soldados, excombatientes (trastorno de estrés postraumático), jueces y carceleros en la identificación y manejo de síntomas relacionados a patologías mentales. Esto se traduce en desenlaces clínicos y de atenciones similares entre la terapia grupal telepsiquíatrica y la grupal presencial (Wootton et al., 003; Frueh et al., 007). La telepsiquiatría es influenciada por dos aspectos: (1) el continuo desarrollo y mejoramiento de las tecnologías de información y telecomunicación necesarias en un teleconsulta, y () las variables de procesos, desenlaces clínicos y aspectos económicos que esta requiere (Frueh et al., 000). En recientes estudios se destacan evaluaciones exhaustivas para diagnósticos multiaxiales relacionados al DSM-IV (Manual diagnóstico y estadístico de los trastornos mentales), evaluación del riesgo, investigaciones y tratamientos. Los resultados demuestran radios de precisión entre un 79% y 83% comparados con el método estándar utilizado en la consulta presencial. Además, se ha demostrado concordancia en procesos para referir pacientes de manejo ambulatorio. Esto valida la utilidad de la 108

109 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: telepsiquiatría como servicio apropiado para evaluaciones diagnósticas e intervenciones psiquiátricas (Singh et al., 007). Además, la satisfacción entre los pacientes durante largos periodos de tiempo, más de 10 años, ha sido evaluada con sustanciales resultados positivos, en donde se destacan que las mujeres aceptan en mayor grado la calidad de la telepsiquiatría que los hombres, y la población de edades entre 0 y 49 presentan alta aceptación (Rowe et al., 008). 3. REQUISITOS TECNOLÓGICOS PARA LOS SERVICIOS TELEPSIQUÍATRICOS La telemedicina usa las TIC como eje para la prestación de servicios médicos remotos (Ausseresses, 1995; TWGTS-DIT, 003; Tracy, 004). De igual forma, la telepsiquiatría usa arquitecturas de telecomunicaciones y sistemas de apoyo como video conferencia, video llamada establecida por un servicio de chat, comunicación telefónica, entre otras. Además, es importante que los sistemas de información con los que interactúan los diferentes actores se construyan bajo estándares de comunicación como el HL7 y DICOM (EHTO, 009; programación, presentación, confiabilidad, autenticación y seguridad (ISO 17799, 009; Soriano et al., 006; establecidos a nivel mundial. Algunos elementos tecnológicos a tener en cuenta para facilitar la prestación del servicio remoto son: - Acceso a la red de datos vía Internet o intranet. - Teléfonos de marcación por tonos (sólo para comunicación establecida telefónicamente). - Plataforma de comunicaciones: Equipo de video conferencia (en el caso de establecer un servicio institucional a través de internet), computadores, equipos de diagnóstico y software de comunicaciones (servicios de internet) tales como chat, video llamada, etc. - Disposición de un cuarto con intimidad, iluminación, audio y video adecuados. - Computadores personales con dispositivos de comunicaciones como cámara de video y audio (en caso de no ser una video conferencia institucional). Además, la telepsiquiatría como soporte al proceso clínico presencial, establece variables de procesos, eficacia del servicio y costo-efectividad que determinan la implantación de servicios psiquiátricos bajo esta modalidad (Frueh et al., 000). La Figura 1 muestra la arquitectura básica y las variables de funcionamiento que se deben tener en cuenta para la prestación de un servicio en telepsiquiatría. Básicamente involucra la atención primaria con asistencia de un médico general o de urgencias, la atención secundaria de un experto, y los pacientes remotos. Figura 9. Arquitectura básica y variables a tener en cuenta en la atención telepsiquíatrica. 109

110 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: PROPUESTA INFORMÁTICA QUE SOPORTA LA TELEPSIQUIATRÍA EN COLOMBIA Aunque no se reportan estudios recientes acerca de la prestación de servicios en el área de salud mental, es evidente que un sistema para la prestación de servicios telepsiquíatrico puede ampliar la capacidad y calidad de la cobertura de servicios en poblaciones necesitadas, vulnerables o aisladas que son propensas a presentar trastornos mentales y carecen de atención directa en su región. El sistema propuesto incluye los siguientes aspectos: - Definición de centros de referencia e instituciones remisoras. En la Figura, se ilustran Medellín (incluye ciudades del Valle de Aburrá) y Bogotá como las ciudades donde se ubican los centros de referencia (p.ej., el Centro de Salud Mental de Envigado) ya que ellas tienen el mayor número de centros especializados en salud mental; en las otras ciudades del país estarían las instituciones remisoras (p.ej., Guajira, San Andrés Isla, Chocó, Guainía, Amazonas, entre otras. - Servicios Telepsiquíatricos. El sistema debe estar disponible para atender los siguientes servicios: cuidado clínico, terapia psiquiátrica, monitoreo en la medicación y revisión, seguimiento en tratamientos y revisión, evaluación fisiológica y terapia, pruebas fisiológicas y neurofisiológicas, evaluación forense, emergencias psiquiátricas, revisión de casos de estudio y supervisión por parte de equipos de cuidado, terapia individual, en pareja, familiar y grupal, educación psiquiatrita, y educación farmacológica. - Redes de telecomunicaciones involucradas en la prestación de los servicios. Los servicios telemáticos se prestan por medio de redes para el transporte de datos, imagen, voz y video. Estas pueden ser: internet, redes regionales como RUANA (Red Universitaria Antioqueña), y redes de alta velocidad como RENATA (Red Nacional Académica de Tecnología Avanzada En estas redes interactúan los centros de referencia, las instituciones remisoras y pacientes remotos autorizados para un servicio determinado. Figura 10. El impacto de un sistema telepsiquíatrico en Colombia. - Requisitos técnicos. Un sistema telepsiquíatrico debe garantizar el buen funcionamiento de los servicios teniendo en cuenta: entornos físicos y técnicos (incluyendo asuntos de portabilidad), velocidad, desempeño, confiabilidad, capacidad del sistema, escenarios de autorización del acceso, procedimientos de protección de los registros del paciente, y gestión de imagen, sonido y video. - Sistema de información. Los datos que se produce e intercambia durante la prestación de un servicio telepsiquíatrico se debe gestionar por medio de un sistema de información apropiado. La propuesta presentada en este artículo ilustra tres páginas web (que son parte de un portal telepsiquíatrico) que facilitan la administración, gestión y ejecución de los servicios presenciales y remotos. Las Figuras 3 ilustra el módulo general por medio del cual se hace la administración de los servicios prestados por la institución de referencia. La Figura 4 ilustra el módulo administrativo de cada profesional (psiquiatra o enfermera) que hace la atención del paciente que llega de una institución remisoria o por consulta directa. La Figura 5 ilustra la ejecución del servicio remoto. 110

111 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura 11. Prototipo Sistema Telepsiquíatrico Módulo Administrativo. Figura 1. Prototipo Sistema Telepsiquíatrico Módulo General. 111

112 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Figura 13. Prototipo Sistema Telepsiquíatrico Módulo Ejecución de Servicios Telepsiquíatrico. 5. CONCLUSIONES Este artículo presenta una propuesta informática para la prestación de servicios telepsiquíatricos en Colombia. La propuesta describe las condiciones funcionales y tecnológicas básicas, definen algunos aspectos importantes para su implementación, y se presentan generalidades del prototipo. Durante las pruebas del prototipo, en el Centro de Salud Mental de Envigado, se identificó la necesidad de establecer directivas que formalicen el proceso para prestar servicios telepsiquíatricos en el sistema de salud colombiano. Esto incluye factores legales del proceso ejecutado durante en los diferentes tipos de servicio, la privacidad de la ejecución de la consulta, y la seguridad de la información recolectada, entre otros. Además, es importante capacitar los profesionales (psiquiatras, enfermeras, secretarias, etc.) que interactúan con el sistema y los servicios telepsiquíatricos. Otros requisitos a tener en cuenta desde la funcionalidad del sistema de información incluyen aspectos políticos tales como factores legales, lineamientos políticos y culturales que afectan el sistema, estándares de buenas prácticas, regulaciones del gobierno, estándares profesionales, políticas médicas y clínicas, y prácticas de la empresa de salud entre otros. Para darle continuidad al desarrollo de la propuesta informática que soporta los servicios telepsiquíatricos, los grupos de investigación GIISEIA y GIBEC en compañía de la Universidad CES y el Centro de Salud Mental de Envigado avanzan en el diseño e implementación del sistema usando el estándar HL7, la separación de asuntos (Tabares et al., 008) y herramientas de desarrollo web. REFERENCIAS Hilty, D.M.; Luo, J.S.; Morache, C.; Marcelo, D.A.; Nesbitt, T.S. (00). Telepsychiatry An Overview for Psychiatrists. University of California. CNS Drugs 00; 16 (8): De las Cuevas; C., Arredondo, M.T.; Cabrera, M.F.; Sulzenbacher, H.; Meise, U. (006). Randomized Clinical Trial of Telepsychiatry through Videoconference versus Face-to-Face Conventional Psychiatric Treatment. 11

113 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Telemedicine and ehealth; Vol. 1 Issue 3, June 3, 006. Pp: Colombia Ministerio de la Protección Social y Fundación FES-Social. Estudio Nacional de Salud Mental. (003). Acceso electrónico: tent/library/documents/docnewsno148docu mentno1466.pdf. (Citado el 1/08/009). Arango-Dávila C.; Rojas J.; Moreno M. (008). Análisis de los aspectos asociados a la enfermedad mental en Colombia y la formación en psiquiatría. Revista Colombiana de Psiquiatría, vol. 37 / No. 4 / 008. Wootton, R.; Yellowlees, P.; McLaren, P. (003). Telepsychiatry and e-mental Health. Royal Society Medicine Press Ltd. Frueh, B.C.; Monnier J.; Yim, E.; Grubaugh, A.L.; Hamner, M.B.; Knapp, R.G. (007) A randomized trial of telepsychiatry for posttraumatic stress disorder. Journal of Telemedicine and Telecare, 13: /007. Frueh, C.B.; Deitsch, S.E.; Santos, A.B.; Gold, P.B.; Johnson, M.R.; Meisler, N.; Magruder, K.M.; Ballenger, J.C. (000). Procedural and Methodological Issues in Telepsychiatry Research and Program Development. Psychiatric services 000; 51(1): Singh, S.P.; Arya, D.; Peters, T. (007). Accuracy of telepsychiatric assessment of new routine outpatient referrals. BMC Psychiatry, 7:55-68/007. Rowe, N.; Gibson, S,; Morley, S.; Krupinski, E.A. (008). Ten-Year Experience of a Private Nonprofit Telepsychiatry Service. Telemedicine and e-health, 14(10): /008. Ausseresses A.D. Telecommunications requirements for telemedicine. (1995). Journal of Medical Systems. Current Technologies in Telemedicine, Vol.19, No. /1995. Technical working group for Telemedicine Standardization Department of Information Technology (TWGTS-DIT). Ministry of Communications and Information Technology (MCIT). Recommended Guidelines & Standards for Practice of Telemedicine in India. (003). Tracy, J (Ed.). Telemedicine Technical Assistance Documents. (004). University of Missouri School of Medicine. Soriano, A.; Ruiz, D.; García, J.M.; Montejo, C.A.; Gil D. (006). A study of standards involved in telemedicine Systems. Department of Information Technology and Computing, University of Alicante. Aparicio, L.E. Fundamentos para el Desarrollo de Telemedicina en Colombia. (001). Informe de Investigación, Universidad Distrital. Acceso electrónico: df. (Citado el 8/08/009). Resolución número 1448 de 006. Ministerio de la Protección Social. Montoya, C.M. (00). La telemedicina apenas despega en Colombia. El Pulso, periódico para el sector de la salud. Medellín, Colombia, Suramérica, Año 5 No. 51 Diciembre del 00. ISSN Tabares M.S., Anaya R., Moreira A., Araújo J., Arango F. (008). Traceability Models to Control an Aspectual Model-Driven Development. Proceedings of the 0th International Conference of Engineering & Knowledge Engineering ISBN: (SEKE). 113

114 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: EL USO DE LAS TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN Y TELECOMUNICACIÓN EN LA GESTIÓN POR PROCESOS Marta S. Tabares Betancur 1, Christian Lochmüller 1 Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Ingeniería Informática, Grupo de investigación GIISEIA Escuela de Ingeniería de Antioquia, Programa de Ingeniería Administrativa, Grupo de investigación en Gestión Financiera Resumen: La gestión por procesos constituye un enfoque innovador en Colombia que orienta el uso de las tecnologías de información y comunicación en las organizaciones. Dicha gestión provee la información necesaria para que los ingenieros de tecnologías de información tomen decisiones coherentes a las metas del negocio y no como componentes aislados que proveen funciones específicas. En este artículo se presenta una revisión de la tecnología de información asociada a la gestión por procesos en el contexto de las arquitecturas empresariales, específicamente en lo que corresponde a las arquitecturas de negocio, información, aplicaciones y tecnología que la conforman. Palabras clave: gestión por procesos, tecnologías de información y comunicación, arquitecturas empresariales, arquitectura de negocio, arquitectura de información, arquitectura de las aplicaciones, arquitectura de la tecnología. 114

115 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: INTRODUCCIÓN La gestión por procesos es una forma de organizar el trabajo (procesos, equipos de trabajo, tecnología, estilo de liderazgo, indicadores, etc.) para que las personas pueda concentrar su esfuerzo en alcanzar resultados significativos para sus clientes (Revelo, 007). Gestionar los procesos de negocio se conoce como BPM (Business Process Management, en inglés) ) e implica que las tecnologías de información (TI) se deban definir e implantar de acuerdo a las actividades definidas por los procesos de negocio. Las Arquitecturas Empresariales (AE) es el concepto definido para lograr esto. Una arquitectura de una organización trata una variedad de problemas y por lo tanto es compleja. Si el problema trata la alineación entre las TI y los negocios, se identifican principalmente cuatro componentes o subarquitecturas: la arquitectura de negocio, la arquitectura de la información, la arquitectura de las aplicaciones o sistemas de información y la arquitectura de la tecnología. Cualquier cambio en alguno de ellas puede impactar directamente al negocio o a la tecnología. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos de Norte América estandariza un modelo de referencia a partir de modelos federados de diferentes propuestas que interrelacionan esas arquitecturas turas (NIST, 1999). La Figura 1 ilustra un esquema de la interrelación de las arquitecturas que conforman el modelo de referencia de las Arquitecturas Empresariales. está alineada con la arquitectura del negocio si los empleados tienen toda la información necesaria para ejecutar los procesos de negocio. Es decir, toda la información debe estar a la mano, justo a tiempo y con el detalle requerido. En un escenario donde la relación entre la arquitectura de negocios y de las aplicaciones está completamente alineada, los empleados solo hacen trabajos que no son mecánicos y los cuales una maquina o aplicación no puede resolver tan fácilmente (Sousa, Marques & Alves, 005).. ARQUITECTURA DE NEGOCIO La arquitectura de negocio es resultado de la definición de la estrategia de la organización, de sus procesos de negocio y su funcionalidad (Sousa, Marques & Alves, 005). Es la base para identificar los requisitos de los sistemas de información que apoyan a las actividades del negocio. La Figura ilustra una vista de la arquitectura de negocio que incluye los objetivos generales, los cuales se pueden derivar de la misión y visión de la empresa, los procesos del negocio (en un alto nivel de abstracción), el dominio del negocio, la estructura organizacional del negocio y las relaciones que existen entre estos componentes. Cada proceso de negocio está constituido por una secuencia de actividades lógicamente relacionadas y cada actividad está vinculada con información, personas, tiempo, un flujo de trabajo, sistemas de soporte, entre otras. Es decir, una empresa se puede entender como un conjunto de procesos de negocio que se necesitan gestionar como cualquier otro recurso valioso para lograr los objetivos y resultados planeados en una organización. Figura 14. Modelo de las Arquitecturas Empresariales (Sousa, Marques & Alves, 005). Estas cuatro arquitecturas son alineadas de la siguiente forma: la arquitectura de la información Figura 15. Una vista de la Arquitectura de Negocio en la Organización. 115

116 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Gobernabilidad de TI. Es un subconjunto de la gobernabilidad corporativa. Se refiere a la alineación de los objetivos de la organización con los objetivos de TI, la obtención de valor del negocio por medio de las TI, la gestión del riesgo y la gestión del rendimiento (IT Governance Institute, Grembergen et al., 004). Para lograr esto se utiliza el marco de trabajo COBIT (Control Objectives for Information and related Technology) el cual define las mejores prácticas para la administración de las TI (http://www.isaca.org/). La gobernabilidad de TI se apoya en herramientas de software que facilitan la identificación de factores críticos de éxito, indicadores claves de objetivos, indicadores críticos de desempeño, utilización y aplicación de normas internacionales, etc. Empresas de software como Datasec IT Security & Control se especializan en este tipo de software (http://www.datasec-soft.com/en/content/blogcategory/8//). Modelado de los Procesos de Negocio. En la organización es importante que todos sus participantes hablen el mismo idioma para definir y utilizar la información relacionada a la misión, visión, los objetivos, las estrategias, los procesos, etc. Una forma semi-automatizada de lograrlo es utilizando herramientas de modelado o dibujo que provean notación y lenguaje estándarizado asociados a los procesos de negocio. Estas herramientas por lo general son marcos de trabajo (frameworks) que proveen técnicas, elementos, estructuras y lenguajes estándar que facilitan la interpretación del negocio para los diferentes participantes. Actualmente y con el objetivo de finalmente automatizar el proceso para la transformación en modelos de software, se cuenta con el estándar BPMN (Business Process Modeling Notation y el lenguaje de modelado de software UML que facilitan la transformación al lenguaje de procesos de negocio BPEL (www.oasisopen.org/committees/wsbpel/) el cual permite la ejecución de los procesos de negocio en arquitecturas orientadas a servicios. Algunas herramientas son: Enterprise Architect (http://www.sparxsystems.com.au/), Intalio Community Edition (http://community.intalio.com/). Desempeño del Proceso. Los procesos de negocio deben ser analizados con respecto a su desempeño en la organización. Las herramientas de análisis o de desempeño del proceso como el Business Activity Monitoring (BAM) efectúan la comparación de la situación as-is (la situación actual) con la situación to-be (la situación deseada) con respecto a los procesos en tiempo real. BAM se apoya en la definición de medidas en particular indicadores críticos para el desempeño (Key Performance Ind icators, KPI en inglés) - para mejorar un proceso (Jeston y Nelis, 006, p. 387). Algunas de las más comerciales son: WebSphere Business Monitor (http://www-01.ibm.com/software/integration/wbimonitor/), Oracle Business Activity Monitoring (http://www.oracle.com/appserver/business-activity-monitoring.html), y el Business Activity Monitoring Software (http://www.progress.com/psm/apama/business-activitymonitoring index.ssp), entre otras. 3. ARQUITECTURA DE LA INFORMACIÓN La arquitectura de la información describe qué necesita la organización saber para ejecutar los procesos descritos en la arquitectura de negocio. Es decir, especifica qué partes del proceso de negocio son apoyadas por cada aplicación y donde cada tipo de datos será almacenado y manejado. Por ejemplo, la arquitectura de información de los Institutos Nacionales de Salud (NIH National Institutes Health) especifica los elementos claves de los sistemas de información y los agrupa en tres subarquitecturas: (1) arquitectura de datos (usa los modelos de datos para identificar la información que permiten ejecutar la misión), integración (los modelos identifican como las aplicaciones son integradas para apoyar procesos de negocio y las operaciones), y aplicaciones (esto proporciona una referencia cruzada de aplicación vs. funciones de negocio y procesos para ilustrar los límites de la aplicación) (NIH-IA, 006). La arquitectura de información ofrece una vista independiente de las tecnologías (TIC, bases de datos, lenguajes de programación) y trata las entidades como responsables de la adquisición, clasificación, control de la calidad, distribución, y evaluación de la información que proveen o reciben los procesos (Sousa, Marques & Alves, 005). Las entidades de información caracterizan la perspectiva del negocio por medio de una identidad, una descripción y un conjunto de atributos. Estos atributos están relacionados con los procesos de negocio (los cuales las usan o las producen) y con aplicaciones (que crean, leen, actualizan o eliminan ellas). 116

117 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Las arquitecturas de información se apoyan en herramientas CASE (Computer-Aided Software Engineering) para el modelado de las entidades de información, diagramas de flujo, plantillas, mapas, etc (p.ej., También, Hagedorn presenta un glosario de términos usados para definir herramientas para las arquitecturas de información (Hagedorn, 000). 4. ARQUITECTURA DE LAS APLICACIONES La arquitectura de las aplicaciones describe las aplicaciones o sistemas de información que son requeridas para conseguir dos objetivos principales en la arquitectura empresarial (Sousa, Marques & Alves, 005): Apoyar los requerimientos del negocio y Permitir la gestión de la información de una manera eficiente. La arquitectura de la aplicación define la interacción entre las aplicaciones que soportan el proceso de negocio. Normalmente incluye: una descripción de los servicios que se ejecutan de una forma automatizada, descripciones de las interacciones y de las interdependencias (interfaces) de las aplicaciones que usa la organización, planes para el desarrollo de aplicaciones nuevas, y el mantenimiento de aplicaciones basado en los objetivos de la organización y las plataformas (Sousa, Marques & Alves, 005). Algunas de estas aplicaciones son paquetes, bases de datos, sistemas middleware que cubren la funcionalidad de la organización. Es importante entender del ambiente en el cual la aplicación será desplegada y por lo tanto identificar quién usará la aplicación y como ellos lo usarán. Los tipos de aplicaciones más representativas y usadas para soportar la funcionalidad de los procesos de negocio son: ECM (Enterprise Content Management) para informar al cliente de sus productos y servicios; CRM (Customer Relation Management) para hacer la gestión de ventas y la relación con los clientes; SCM (Supply Chain Management) que facilita la administración de la cadena de suministros y mantiene la relación con los proveedores; ERP (Enterprise Resource Planning) que permiten planear y procesar la información de productos y servicios (Jeston y Nelis, 006). Ambientes de desarrollo integrado (IDE Integrated Development Environment) como el Eclipse apoyan el desarrollo de aplicaciones y la construcción de interfaces para la integración de aplicaciones (http://www.eclipse.org/). 5. ARQUITECTURA DE LA TECNOLOGÍA La arquitectura de la tecnología se refiere a la infraestructura de software y hardware que son necesarias para apoyar a las aplicaciones o sistemas de información. Al nivel de la arquitectura de la tecnología se conocen herramientas de bases de datos tales como Microsoft SQL-Server (http://www.microsoft.com/ latam/sqlserver/), IBM DB (http://www- 01.ibm.com/software/data/db/), Oracle (www.oracle.com/technology/.../rdbms/index.html), etc. También se incluyen arquitecturas de software como la arquitectura orientada a servicios (SOA Service-Oriented Architecture) que proveen elementos de software tales como Web Services (conjunto de protocolos y estándares que sirven para intercambiar datos entre aplicaciones), y el ESB (Enterprise Service Bus) el cual facilita la integración de las aplicaciones, etc. 6. CONCLUSIONES En este artículo se hace una revisión de las tecnologías de información y telecomunicaciones usadas para soportar las arquitecturas empresariales. Este incluye la identificación de los métodos, metodologías y herramientas de software que apoyan el objetivo de las arquitecturas de: negocio, información, aplicación, y tecnología, que son parte de la arquitectura empresarial. Diferentes herramientas apoyan la automatización de procesos al nivel de cada sub-arquitectura y por lo tanto hacen un aporte importante para ejecutar y administrar los procesos de una manera más ágil y eficiente. No obstante, un gran porcentaje de las organizaciones aún son inmaduras o carecen de la gestión por procesos. Esto genera una división evidente entre los procesos de negocio y la gestión de las TI. 117

118 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Esta revisión de la tecnología de información asociada a la gestión por procesos es parte de la investigación que realizan los grupos de investigación GIISEIA y Gestión Financiera por medio del proyecto Criterios de interacción entre modelos de desarrollo y modelos del proceso de negocio. RECONOCIMIENTOS Se agradece la participación de los auxiliares de investigación del programa de ingeniería informática Santiago Calad y Carlos Villegas. REFERENCIAS Revelo, F., Deloitte Asesores y Consultores Ltda. (007). Gestión por procesos. Presentación Bogotá, de Mayo. Disponible en Internet: ion%0por%0procesos.pdf. Recuperado el 5/09/009. The Chief Information Officers Council (1999). Federal Enterprise Architecture Framework Version 1.1. Van Grembergen, W., De Haes, S. & Guldentops, E. (004). Structures, Processes and Relational Mechanisms for IT Governance in Strategies for Information Technology Governance. Idea Group, London, NIH-IA (006). Information Architecture. National Institutes of Health Enterprise Architecture. Disponible en: de/informationarchitectureintroduction.htm. Sousa, P., Marques, C., Alves, J. (005). Enterprise Architecture Alignment Heuristics. Microsoft Architect Journal. Disponible en Internet: Citado el 5/09/009. Hagedorn, K. (000). The information Architecture Glossary. Argus Center for Information Architecture. Argus Associates. Jeston, J., y Nelis, J. Business Process Management. Practical Guidelines to Successful Implementations. Published by Elsevier Ltd

119 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: IDEAS GRANDES PARA UN MUNDO DIMINUTO: PUNTOS CUÁNTICOS DE GaAs-(Ga,Al)As Walter. Ospina Muñoz 1, Eugenio. Giraldo Tobón 1, Ricardo León Restrepo Arango 1,, Guillermo León. Miranda Pedraza 1,, Carlos. Alberto Duque Echeverri 1 EIA-FTA, Escuela de Ingeniería de Antioquia, A.A. 7516, Medellín Instituto de Física, Universidad de Antioquia, A.A. 16, Medellín Resumen: Se simulan los efectos de la presión hidrostática, sobre las propiedades ópticas y electrónicas de nanoestructuras semiconductoras: En este artículo se presenta la energía de enlace y la densidad de estados de impurezas donadoras poco profundas en puntos cuánticos rectangulares de GaAs-(Ga,Al)As bajo efectos de la presión hidrostática, usando el método variacional y la aproximación de masa efectiva. Los resultados se presentan para posiciones de la impureza a lo largo de las direcciones de simetría del punto cuántico rectangular y considerando diferentes valores de la presión hidrostática. Palabras clave: densidad de estados; energía de enlace; punto cuántico; impureza donadora; presión hidrostática. Abstract: The simulation of effects the hydrostatic pressure on the optical and electronic properties of semiconductor nanostructures: In this paper, the binding energy and the density of impurity states of shallow-donor impurities is presented in rectangular GaAs- (Ga,Al)As quantum dots under the effects of hydrostatic pressure, using the variational method and the effective mass approximation. The results are shown for impurity positions along the symmetry directions of the rectangular quantum dot and considering different values of the hydrostatic pressure. Keywords: density of states; binding energy; quantum dot; donor impurity; hydrostatic pressure. 1. INTRODUCCIÓN Los efectos de la presión hidrostática sobre la energía de enlace de impurezas donadoras en pozos cuánticos fueron calculados por (Elabsy 1993) habiendo encontrado que la energía de enlace crece linealmente con la presión hidrostática. Adicionalmente mostró que para presiones cercanas al cruce entre las bandas Γ-X la energía de enlace alcanza un valor máximo y después decrece, efecto que esencialmente se asocia con la disminución en el confinamiento de los portadores por la reducción de la altura de las barreras de potencial. (Oyoko et al. 001) reportaron cálculos de la energía de enlace para impurezas donadoras poco profundas en puntos cuánticos rectangulares de GaAs-(Ga,Al)As en función de la presión hidrostática, encontrando comportamientos similares a los ya reportados por (Elabsy 1993). 119

120 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Con respecto a la densidad de estados de impurezas, (Bastard 1981) encontró que en pozos cuánticos la densidad de estados presenta dos estructuras bien definidas asociadas con impurezas en el centro y en las paredes de la estructura. Los efectos combinados de presión hidrostática y campo eléctrico aplicado sobre la densidad de estados de impurezas en hilos cuánticos de sección transversal rectangular han sido calculados por (González et al. 007), mostrando que la presencia del campo eléctrico enriquece la estructura de la densidad de estados fundamentalmente debido a la ruptura de la simetría para posiciones de la impureza con respecto al centro de la estructura. (Morales et al. 007) mostraron el camino para el estudio de los efectos combinados del campo eléctrico y magnético con la presión hidrostática en impurezas en pozos cuánticos dobles. Allí, una nueva estructura asociada con impurezas en el centro de la barrera central aparece con esfuerzo de oscilador infinito. Para el caso de campo eléctrico cero han mostrado que la densidad de estados presente tres estructuras bien definidas: una para impurezas en el centro de los pozos, la segunda para impurezas en el centro de la berrara central, y una tercera estructura asociada para impurezas en las paredes externas de los pozos. Estas tres estructuras derivan en cinco cuando se consideran efectos de campo eléctrico aplicado. En este trabajo extendemos los cálculos teóricos ya reportados y entramos a considerar los efectos de presión hidrostática sobre la energía de enlace y la densidad de estados de impurezas donadoras poco profundas en puntos cuánticos rectangulares de GaAs-(Ga,Al)As. Se utiliza la aproximación de masa efectiva y el método variacional. Los efectos de la presión hidrostática se consideran a través de de las dependencias con la presión de la masa de los electrones, la constante dieléctrica, la altura de las barreras de potencial y las dimensiones de los puntos cuánticos. Por simplicidad se considera la constante dieléctrica del GaAs a lo largo de toda la heteroestructura con lo cual se ignoran los efectos de carga imagen. La misma aproximación se hace para la masa de los portadores en la banda de conducción. El artículo está dividido como sigue: en la sección se presenta una corta descripción del marco teórico, en la sección 3 los resultados y discusión, y finalmente en la sección 4 las conclusiones.. MARCO TEÓRICO En la aproximación de masa efectiva, el hamiltoniano para una impureza donadora poco profunda en un punto cuántico rectangular de GaAs- (Ga,Al)As bajo efectos de presión hidrostática está dado por h H= * m ( P) e + V ε ( P) r B ( x, y, z, P), (1) donde r es la distancia electrón-impureza y m * (P) y ε (P) son la masa efectiva y la constante dieléctrica, respectivamente, en función de la presión. V B es el potencial de confinamiento asociado con el punto cuántico y está dado por Lz ( P) L L x y 0 para z, x, y, Lz ( P) L L x y V B( x, y, z, P) = V0 ( P) para z, x, y, () L L x y para x, y, donde la altura de la barrera es Γ 0 c g P V ( P) = Q E ( x, ) (3) donde Q = 0, 658 es un parámetro experimental c Γ E g [1] y ( x, P) es la diferencia de brechas de energía entre los materiales del pozo y de las barreras, es decir, Γ Γ Eg ( x, P) = Eg ( x) + P D ( x), (4) con y E Γ g ( x) = (1,155 x + 0,37 x ) ev (5) 3 [ (1,3 10 ) x] ev kbar D ( x) = /. (6) 10

121 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Aquí x es la fracción molar de aluminio en el material de la barrera. En la ecuación () L x, L y, y L z son las dimensiones del punto cuántico en las direcciones x, y, z respectivamente. Los efectos de la presión sobre las dimensiones estructurales se calculan de acuerdo con (Oyoko et al. 001)] [ ( S S ) P] L( P) L(0) =, (7) donde L (0) es algunas de las tres dimensiones del punto cuántico a cero presión y S 11 y S 1 son las constantes elásticas del GaAs. La función de prueba para el estado fundamental se escoge como el producto La energía de enlace se calcula mediante E b ( P) = E0 ( P) Ψ H Ψ min( λ) (1) donde Ψ H Ψ min( λ) se minimiza con respecto al parámetro variacional λ y E 0( P ) es el autovalor del hamiltoniano en la ecuación (1) sin el término de impureza. g E i se calcula en direcciones de simetría particulares mediante [1] La densidad de estados ( ) Ψ ( x, y, z) = N f ( r) g( r), (8) donde g( r) exp( λr) y con = (9) π f(r) = cos x L x cos π y L y h( z), (10) Lz ( P) cos( ηz), z <, Lz ( P) Lz ( P) Lz ( P) h( z) = cos η exp β z, z, Lz ( P) Lz ( P) Lz ( P) cos η exp β + z, z. (11) En las ecuaciones (8) y (9) N y λ son, respectivamente, la constante de normalización y el parámetro variacional. En la ecuación (11) η y β se obtienen por continuidad de la función de onda y su derivada en las intercaras. g ( E ) = i K V ( P) Ei 4 1, (15) donde V (P) es el volumen del punto cuántico, E i es el gradiente con respecto a la energía de enlace y K es el grado de degeneración de la energía de enlace para cada dirección de simetría. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las figuras 1 y se presentan, en su orden, los resultados para la energía de enlace en función de la posición de la impureza y la densidad de estados de impurezas donadoras en función de la energía de enlace, en puntos cuánticos rectangulares de GaAs- Ga0,7 Al0,3As considerando diferentes valores de la presión hidrostática y de dimensiones L L =100Å y L ( 0) = 00 Å. x = y z En la figura 1 se observa que la energía de enlace para la impureza colocada en el centro del punto cuántico es mayor que la energía de enlace para la impureza colocada en alguna de las caras del mismo; además, que si la presión aumenta, la energía de enlace también lo hace, debido tanto a la disminución de las dimensiones de la estructura como a la constante dieléctrica, lo cual finalmente se traduce en un incremento de la interacción electrostática. A medida que la impureza se acerca hacia las paredes de la estructura se presenta una repulsión de 11

122 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: las funciones de onda lo que conlleva a una plano x-z hasta llegar al punto de coordenadas ( L x /, 0, Lz / ), figura 1(c), la energía de enlace en dicha dirección es menor que en las direcciones anteriores, debido a la repulsión que sobre la función de onda ejercen al mismo tiempo los dos potenciales; para la impureza que se mueve por la diagonal del plano x-y hasta llegar al punto de L, L /, 0, figura 1(d), la coordenadas ( ) x / y repulsión que ejercen al mismo tiempo los dos potenciales infinitos es mayor que en los casos anteriores, en consecuencia, es menor la energía de enlace en esta dirección y fundamentalmente asociado esto con la polarización que sufre el sistema electrón-impureza. En la figura se presentan los resultados de la dependencia con la energía de enlace de la densidad de estados de impurezas al moverse en diferentes direcciones de simetría del punto cuántico y considerando diferentes valores de la presión hidrostática. polarización del sistema hidrogenoide con el Figura. 1. Energía de enlace de impurezas donadoras poco profundas en puntos cuánticos rectangulares, con la impureza moviéndose: (a) en dirección z; (b) en dirección x; (c) a lo largo de la diagonal en el plano x-z, y (d) a lo largo de la diagonal en el plano x-y correspondiente incremento del valor esperado de la distancia electrón-impureza y como consecuencia una disminución en la energía de enlace. Debido a las barreras finitas en la dirección z, con la presión aparece una disminución en el confinamiento de los portadores y por ende una disminución también en la energía de enlace. Si la impureza se mueve en la dirección z, figura 1(a), se encuentra con una barrera de potencial de valor finito, mientras que si se mueve en la dirección x, figura 1(b). La energía de enlace al llegar a la barrera es mayor en (b) que en (a) porque debido a que las dimensiones en dirección x y y de la estructura son del orden de un radio de Bohr y por tanto la impureza siempre está sintiendo el efecto de confinamiento de las dos barreras infinitas. En todas las curvas se observan dos estructuras bien definidas: la primera, relacionada con la impureza ubicada en el centro del punto cuántico y de altura infinita con el valor máximo de energía de enlace, y la segunda, relacionada con la impureza ubicada en alguna de las caras de la heteroestructura y de altura finita con valor mínimo de la energía de enlace. Se observa también un corrimiento hacia valores mayores de la energía de enlace de las curvas de densidad de estados, como efecto de la presión hidrostática. Este corrimiento está en consonancia con lo observado en la figura 1, ya que como se explicó, la energía de enlace aumenta conforme lo hace la presión externa. Finalmente, se observa que la altura relativa de las estructuras de altura finita, en cada una de las gráficas, decrece con el aumento de la presión hidrostática. 4. CONCLUSIONES Considerando la aproximación de masa efectiva y el método variacional se calculan la energía de enlace del estado fundamental y la densidad de estados para una impureza donadora poco profunda en un punto Cuando la impureza se mueve en la diagonal del 1

123 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: magnético, así como la presión hidrostática, tienen sobre varias propiedades de excitones e impurezas en heteroestructuras semiconductoras GaAs- (Ga,Al)As. RECONOCIMIENTOS Este trabajo ha sido financiado parcialmente por la Dirección de Investigación de la Escuela de Ingeniería de Antioquia-EIA (C.C ) y por el CODI-Universidad de Antioquia. REFERENCIAS A. L. Morales, N. Raigoza, C. A. Duque. (007). Acceptor and donor impurity-related optical absorption spectra in double quantum wells: electric field and hydrostatic pressure effects. En: Phys. Stat. Sol. (c) 4,, A. M. Elabsy. (1993). Hydrostatic pressure dependence of binding energies for donors in quantum well heterostructures. En: Phys. Scr. 48, Fig.. Densidad de estados de impurezas donadoras poco profundas en puntos cuánticos rectangulares, con la impureza moviéndose: (a) en dirección z; (b) en dirección x; (c) a lo largo de la diagonal en el plano x-z, y (d) a lo largo de la diagonal en el plano x-y. cuántico de GaAs-(Ga,Al)As con geometría rectangular. Se observa que la energía de enlace es función de la posición de la impureza, ya que conforme ésta se mueve desde el centro del punto cuántico hasta alguna de sus caras la energía de enlace decrece. Se presentan resultados que muestran un incremento lineal de la energía de enlace con la presión hidrostática. G. Bastard. (1981). Hydrogenic impurity states in a quantum well: A simple model. En: Phys. Rev. B 4, H. O. Oyoko, C. A. Duque and N. Porras- Montenegro. (001). Uniaxial stress dependence of the binding energy of shallow donor impurities in GaAs-(Ga,Al)As quantum dots. J. En: Appl. Phys. 90, J. W. González, S. Y. López, A. H. Rodríguez, N. Porras-Montenegro and C. A. Duque. (007). Impurity-related optical properties in rectangular-transverse section GaAs-Ga 1-x Al x As quantum well wires: Hydrostatic pressure and electric field effects. En: Phys. Stat. Sol.(b) 4, 1, Como resultado general la densidad de estados presenta dos estructuras bien definidas asociadas con impurezas en el centro y en las paredes del punto cuántico; se observa además que la densidad de estados presenta un corrimiento hacia el azul con la presión hidrostática. Se espera en esta línea de investigación ampliar el estudio de los efectos que el campo eléctrico y 13

124 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: OBTENCIÓN DE IMÁGENES PANORÁMICAS A PARTIR DE SISTEMA CÁMARA-ESPEJO Mauricio Arias Correa Escuela de Ingeniería de Antioquia, Alto de las Palmas Km +00 variante al aeropuerto José María Córdova, Envigado-Antioquia, Resumen: Durante las dos últimas décadas, las aplicaciones de sistemas de visión omnidireccional se han vuelto comunes en sistemas de vigilancia, detección de colisiones y robótica. La mayor ventaja radica en la obtención de imágenes que representan el total del entorno que rodea a la cámara, en un único instante de tiempo. Cuando el sistema de visión utiliza una cámara y un espejo convexo, entonces es denominado sensor catadióptrico. Las imágenes obtenidas con sensores catadióptricos nos son fáciles de interpretar, siendo necesario para ello un software que desenvuelva la imagen omnidireccional y la convierta en panorámica. En este artículo se presenta el diseño y construcción de un sistema de visión omnidireccional catadióptrico basado en un espejo esférico, así como el algoritmo que permite desenvolver las imágenes omnidireccionales. Los resultados obtenidos con base en las especificaciones de diseño, demuestran la efectividad de la solución propuesta. Palabras clave: sistema de visión omnidireccional, imagen panorámica, sensor catadióptrico, visión por computador. Abstract: During the Last two decades, the application of omnidirectional artificial vision system has become very common in surveillance systems, collision detection and robotics. The biggest advantage is the ability to have images that represent the entire surroundings in a single instant of time. When vision system uses one camera and one convex mirror, the sensor is called a catadioptric sensor. These types of images are very easy to interpret after being transformed to panoramic with a specific software. This paper proposes the design and construction of an artificial omnidirectional vision system with a catadioptric sensor based on spherical mirror, as well as the algorithm that converts the images into panoramic. The results shown with this type of design illustrate the efficiency of the proposed solution. Keywords: omnidirectional vision system, panoramic image, catadioptric sensor, computer vision. 14

125 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: INTRODUCCIÓN Las aplicaciones de sistemas de visión omnidireccional han demostrado ventajas con respecto a los sistemas de visión con cámaras convencionales. Bien sea como sensores de navegación en robótica (Soria et al., 006; Argyros, 004; Argyros, 005; Santos-Victor, 1995; Gaspar, 1999; Gaspar, 000), para detectar posibles colisiones (Matuszyk, 006) o simplemente como dispositivos de vigilancia, las cámaras omnidireccionales permiten adquirir información con una imagen de 360 grados del entorno que las rodea. Los sistemas de visión omnidireccional están constituidos por dispositivos de múltiples cámaras, por combinaciones de cámaras y lentes o por combinaciones de cámaras, espejos y en ocasiones lentes. Sin embargo la imagen omnidireccional obtenida por medio de estos sistemas no es fácil de interpretar, lo cual hace necesario realizar una transformación de la imagen de su formato omnidireccional a panorámica, en lo que comúnmente se ha denominado desenvolvimiento de la imagen omnidireccional. El dispositivo que captura la imagen omnidireccional se denomina sensor catadióptrico cuando está constituido por una cámara CCD y un espejo convexo. El diseño del sensor catadióptrico, la construcción de la cámara omnidireccional y el algoritmo para desenvolvimiento de las imágenes omnidireccionales de tal manera que se conviertan en imágenes panorámicas, se presentan en este trabajo. Algunos de los trabajos más relevantes en diseño y aplicaciones de sistemas de visión omnidireccional con sensores catadióptricos han sido desarrollados desde mediados de la década de El comportamiento de centrado, consiste en el movimiento de un robot a través de la línea media de un entorno tipo corredor. El uso de una cámara panorámica en oposición a un sistema multi-cámara o a un mecanismo que reoriente la mirada de una cámara de perspectiva típica, simplifica el procesamiento de la información sensorial y reduce la complejidad del hardware requerido (Argyros, 004). Uno de los primeros trabajos en los cuales la visión panorámica es usada para el comportamiento de centrado es (Srinivasan, 1999), en el cual la visión es implementada a través de arreglos de espejos en forma de V, y el flujo óptico de las direcciones laterales es usado para extraer distancia y orientación con respecto a las paredes del corredor, proporcionando así una reconstrucción completa del estado de un robot que se mueve en dicho corredor. Similarmente, el trabajo de (Gaspar, 1999), usa imágenes panorámicas para reconstruir el estado de un robot en un entorno con marcas. También en robótica móvil, en un problema específico denominado homing de robot, se han utilizado con éxito cámaras panorámicas. Se denomina robot homing, al problema de calcular una ruta para que el robot pueda retornar a su posición de origen después de ejecutar una trayectoria cualquiera. Para solucionar el problema del homing, en (Argyros, 005) se propuso un robot equipado con una cámara panorámica montada sobre él de tal manera que el robot procesara imágenes panorámicas obtenidas durante el recorrido del robot y por medio de extracción de características pudiera generar una trayectoria de regreso al punto de origen. Este trabajo pone de manifiesto las ventajas de utilizar una cámara panorámica en entornos en los cuales se carece de un rico contenido visual. La utilización del flujo óptico con cámaras omnidireccionales, ha sido documentada en el trabajo de (Soria, 006), en el cual se trata el problema del uso de imágenes panorámicas para evitar obstáculos en la navegación de un robot móvil en entornos interiores. Las imágenes cubrían 180 grados del horizonte en el frente del robot, y fueron obtenidas por medio de una cámara con espejo omnidireccional esférico. La contribución del sistema propuesto, consiste en que utilizando la cámara omnidireccional el robot se vuelve apto para evitar obstáculos muy anchos, lo cual puede ser muy complicado utilizando una cámara de ángulo de visión estrecho. En el trabajo de Matuszyk (Matuszyk, 006), se utilizan dos cámaras omnidireccionales para obtener imágenes 3D analizadas posteriormente con técnicas de imágenes de rango y determinar la presencia de obstáculos en la zona posterior de vehículos comerciales producción masiva (familiares y para transporte de carga) y evitar de esta manera accidentes. En el capítulo, se presentan la teoría relacionada con los dispositivos omnidireccionales y alternativas de construcción. En el capítulo 3, se presentan las ecuaciones que fundamenten el diseño de cámaras 15

126 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: basadas en espejos esféricos y el desenvolvimiento de las imágenes omnidireccionales, así como la aplicación de los algoritmos diseñados. Una discusión de los resultados obtenidos y conclusiones se presenta en el capítulo 4.. SISTEMAS DE VISIÓN OMNIDIRECCIONAL Los diferentes métodos para obtener imágenes con un amplio campo de visión, pueden ser clasificados en las siguientes categorías (González-Barbosa, 004): Utilización de imágenes múltiples Utilización de objetivos especiales Utilización de espejos convexos (sensores catadióptricos). Los criterios de selección del método más adecuado según el problema a resolver, van desde la resolución de la imagen, la velocidad de adquisición, el costo computacional y la facilidad de sincronización y calibración del sistema, hasta el costo económico del mismo. Obtención de imágenes múltiples. Las imágenes múltiples se pueden obtener por medio de una cámara en rotación a velocidad constante alrededor de un eje vertical, y recomponiendo posteriormente la imagen panorámica a partir de las imágenes capturadas (figura 1a), sin embargo, el tiempo requerido para la adquisición de una imagen panorámica es muy grande en relación con otros métodos, por lo cual su uso no es recomendado para captura de imágenes en entornos dinámicos. Otra técnica consiste en utilizar varias cámaras dispuestas de tal manera que cada una de ellas cubre un campo de visión, cuyo ángulo en suma con los ángulos de las demás cámaras, componen una imagen del espacio circundante (figura 1b), pero puede presentarse el caso de perder partes de la imagen en ángulos muertos o duplicar información. Utilización de objetivos especiales. Este método consiste en la utilización de dispositivos ópticos ensamblados sobre una cámara CCD. En (González- Barbosa, 004), se han citado ejemplos de estos sistemas, tales como las lentes denominadas PAL (Panoramic Annular Lens), que permiten obtener imág enes panorámicas sin distorsión a partir de un bloque óptico de una sola pieza. Figura. 10. Obtención de imágenes múltiples: a) Rotación de cámara, b) Sistema multicámara. Espejos convexos. Los sistemas omnidireccionales catadióptricos resultan de la combinación de lentes y espejos. Figura.. Sensor catadióptrico. a) Espejo parabólico, lente y cámara. b) Imagen El término catadióptrico se emplea para designar a los sistemas en los cuales los fenómenos de reflexión y dispersión de la luz se dan simultáneamente. Este tipo de sistemas están diseñados de tal manera que el eje óptico de la cámara se alinea con el eje de revolución de un espejo convexo, permitiendo a la cámara adquirir la imagen de la totalidad de su entorno a partir de la imagen proyectada sobre la superficie del espejo (figura a). El resultado es una imagen omnidireccional (figura b). 16

127 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: ausencia de un punto de proyección único, lo cual genera una gran dificultad para transformar las imágenes omnidireccionales en imágenes panorámicas. En (Spacek, 003), se introduce el concepto de dimensionally separable viewpoints, con el cual es posible generar imágenes (pseudoimágenes) panorámicas. Figura 3. a) Imagen omnidireccional obtenida. b) Imagen panorámica. Tomada de: vis/sphpanor/ El criterio de selección del espejo que eventualmente haría parte de un sistema de visión catadióptrico, está basado en la calidad de la imagen que se desea obtener (distorsión mínima), una vez se aplica a la imagen omnidireccional un algoritmo de desenvolvimiento que la convierta en imagen panorámica. En la figura 3, se puede apreciar la distorsión de una imagen panorámica, resultante de la aplicación de un algoritmo de desenvolvimiento a una imagen omnidireccional, capturada esta última por medio de una cámara omnidireccional catadióptrica. Para que la imagen panorámica (omnidireccional desenvuelta), represente el entorno con un mínimo de distorsiones ópticas admisibles, se debe elegir adecuadamente la curva del espejo, la resolución de la cámara y diseñar un algoritmo eficiente de desenvolvimiento. Según sea la curva seleccionada para el espejo, se tendrá o no un centro de proyección único de la imagen con respecto a la cámara. Tener un centro de proyección único, permite reconstruir imágenes según diferentes tipos de proyección y de superficie (González-Barbosa, 004)..1 Espejos para sensores catadióptricos Los sistemas catadióptricos se pueden clasificar según el tipo de espejo que se utiliza. De acuerdo con las ecuaciones que representan sus superficies, los espejos pueden ser: cónicos, esféricos, hiperbólicos o parabólicos. En un espejo cónico, debido a la ausencia de curvatura, se obtiene una buena resolución en la periferia de la imagen. Esto se debe a que obran respecto de la reflexión como espejos planos en el sentido del eje focal, y como espejos esféricos en el sentido perpendicular o transversal del eje. Presenta como desventajas un gran astigmatismo y la Un espejo de superficie hiperbólica tiene dos puntos focales. Si el centro óptico de la cámara esáa puesto sobre uno de estos dos puntos, entonces en el punto focal interior se produce una imagen virtual de una fuente puntual ubicada en el foco exterior. Como ventaja presenta un centro de proyección única. A mayor curvatura del espejo, será mayor el astigmatismo. Su construcción no es sencilla debido a que el punto focal de la hipérbola necesita estar ubicada en el centro de la cámara, la concepción de este tipo de sistemas es complicada (González- Barbosa, 004). El espejo de superficie esférica, permite obtener imágenes con buena resolución en la parte central pero no tan buena en la periferia. El campo visual que se abarca utilizando un espejo esférico en un sistema de visión catadióptrico, es mayor al que se obtiene con un espejo cónico y presenta mínimo astigmatismo cerca del eje óptico de la cámara. Adicionalmente, la convergencia de las imágenes no requiere de grandes distancias focales. Como desventajas, se puede enunciar la ausencia de un centro de proyección único y el aumento de la distorsión de la imagen a medida que el ángulo con respecto a la vertical aumenta (Gaspar, 000; Soria, 006). Uno de los espejos que mayores ventajas presentan para obtener imágenes panorámicas es el de superficie parabólica, el cual tiene la propiedad de producir en su foco la imagen real de un objeto ubicado a gran distancia en la dirección de su eje. Un sensor catadióptrico con espejo parabólico, tiene centro de proyección única. Al igual que para superficies hiperbólicas si se construyen espejos parabólicos con curvaturas pequeñas se reduce el astigmatismo. La integración de un lente telecéntrico alineado con el eje focal del espejo permite que los rayos incidentes sobre el espejo que atraviesan el foco del paraboloide sean transmitidos hacia el sensor de la cámara. El costo de construcción del espejo parabólico resulta muy elevado. 17

128 MEMORIAS JORNADAS DE INVESTIGACIÓN EIA 009 ISSN: Los sensores catadióptricos basados en espejos esféricos, son modelados esencialmente por la ecuación de reflexión en la superficie del espejo: φ = θ +. a tan( F ') (1) La cual determina que los ángulos reflejados y los ángulos de incidencia de un rayo de luz son iguales. El perfil del espejo es representado, por la ecuación de una semicircunferencia. Figura. 4. Superficies de espejos para sensores catadióptricos. En la figura 4, se pueden apreciar las características relevantes de los espejos mencionados (González- Barbosa, 004; Matuszyk, 006, Soria, 006).. Cámara omnidireccional basada en espejo esférico. F( t) t = L R () En la cual, R es el radio del espejo esférico y L es la distancia del centro de la esfera a la cámara tal como se aprecia en la figura 5 (Gaspar, 000; Gaspar and Santos-Victor, 1999, Soria, 006). La geometría de formación de la imagen es obtenida, relacionando las coordenadas de un punto 3D (P), con las coordenadas de su proyección en la superficie del espejo Pm y finalmente con la proyección de su imagen p, esto se logra por medio de las ecuaciones de proyección para un perfil general de espejo, de tal manera que la solución de la ecuación da como resultado la coordenada radial del punto de reflexión sobre la superficie del espejo. Esta solución se puede presentar utilizando el operador r 0 de la siguiente manera (Gaspar, 000): t = ρ ( r, z; R, ) (3) 0 L La coordenada vertical del punto del espejo, se obtiene entonces como F(t). Las ecuaciones: [ arctan x + y z] T T [ r z] = ( y / x) P = ϕ (4) u * = f v * (5) t F cos ϕ sin ϕ and u α u 0 = v 0 α v u * u0 v * v 0 1 Completan el modelo de proyección, preformando la transformación en coordenadas cilíndricas y los parámetros intrínsecos. Por lo tanto, se obtiene un operador de proyección p, el cual, dadas las coordenadas 3D de un punto P = [X Y Z] T permite obtener la proyección de su imagen, que denominamos p= [u v] T, de la siguiente manera: Figura. 5. Geometría de proyección de un sistema catadióptrico con espejo esférico p = ρ( P, ϑ) (6) 18

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