APORTES EN CIENCIAS INGENIERILES BIOMÉDICAS. CATALINA TOBÓN ZULUAGA Compiladora

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1 APORTES EN CIENCIAS INGENIERILES BIOMÉDICAS CATALINA TOBÓN ZULUAGA Compiladora

2 APORTES EN CIENCIAS INGENIERILES BIOMÉDICAS

3 APORTES EN CIENCIAS INGENIERILES BIOMÉDICAS CATALINA TOBÓN ZULUAGA Compiladora

4 Aportes en ciencia ingenieriles biomédicas / Compiladora Catalina Tobón Zuluaga. -- Medellín: Fondo Editorial ITM, p. : il. (Textos académicos) Incluye referencias Bibliográficas ISBN Ingeniería biomédica - Investigaciones 2. Procesamiento de imágenes 3. Bioinstrumentación 4. Biomecánica 5. Bioseñales I. Tobón Zuluaga, Catalina, comp. II. Serie SCDD Ed.21 Catalogación en la publicación - Biblioteca ITM Aportes en ciencias ingenieriles biomédicas CATALINA TOBÓN ZULUAGA -Compiladora Fondo Editorial ITM Edición: diciembre 2013 ISBN: Hechos todos los depósitos legales Rectora LUZ MARIELA SORZA ZAPATA Editora SILVIA INÉS JIMÉNEZ GÓMEZ Secretaria Técnica VIVIANA DÍAZ Correctora de estilo LILA MARÍA CORTÉS FONNEGRA Diagramación Ediciones Diario Actual Editado en Medellín, Colombia Fondo Editorial ITM Instituto Tecnológico Metropolitano Calle 73 No. 76A 354 Tel.: (574) Las opiniones, originales y citaciones del texto son de la responsabilidad del autor. El ITM salva cualquier obligación derivada del libro que se publica. Por lo tanto, ella recaerá única y exclusivamente sobre el autor.

5 Comité organizador Catalina Tobón, PhD (Presidente) Juliana M. Fernández, MSc (Vicepresidente) Lina M. Ramírez, MSc (Secretaria) Alfonso Restrepo, MBA Juan G. Moreno, aspirante a MSc Luisa F. Restrepo, estudiante Comité científico Catalina Tobón, PhD Juliana M. Fernández, MSc Lina M. Ramírez, MSc Diana Orrego, MSc William Orozco, MSc Oscar A. Restrepo, PhD Juan G. Moreno, aspirante a MSc Leandro Ariza, aspirante MSc Carlos J. Barrera, aspirante PhD Beatriz E. Valdés, PhD Grupo organizador Grupo de Investigación e Innovación Biomédica Entidades financiadoras Instituto Tecnológico Metropolitano Alcaldía de Medellín

6 Agradecimientos A la facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO -ITM-, al Fondo Editorial ITM, a la Dirección de Comunicaciones y Publicaciones, Servicios Generales del ITM, al Departamento de Sistemas del ITM, a la Dirección de Cooperación y Relaciones Internacionales del ITM, a la Alcaldía de Medellín y a la rama estudiantil IEEE ITM.

7 Contenido Parte I 8 Introducción 9 Ingeniería Biomédica 10 Conferencistas y Empresas invitadas 11 Parte II Artículos Evaluación de transformaciones de intensidad para aumento del contraste en imágenes de microscopía de fluorescencia Diseño de un tubo endotraqueal para la prevención de infecciones nosocomiales Diseño de implante a la medida para el tratamiento de la displasia de cadera Reconocimiento de onda P300 en sistemas BCI basado en medidas de entropía: apen, sampen y fuzzyen Caracterización de gestos deportivos con sistemas digitales de captura de movimiento Evaluación de herramientas para diseño de ARN interferente complementario al genoma del Vvirus de la Hepatitis C Sistema ANFIS basado en señales EEG aplicado a una interfaz cerebro computador de propósito general Diseño de un prototipo para la adquisición de ondas beta en EEG para un sistema BCI Transmisión bluetooth de la señal de electrocardiografía a dispositivos móviles portátiles Estudio de la gestión de tecnología biomédica implementando herramientas tecnológicas modernas Diseño del acondicionamiento de los sensores y del software para un instrumento virtual multipatrón 56

8 Parte I

9 Introducción El Grupo de Investigación e Innovación Biomédica GI 2 B del INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO ITM, organizó el I Simposio de Ciencias Ingenieriles Biomédicas - SCIB 2013, en la ciudad de Medellín Colombia, campus Robledo del ITM, los días 10 y 11 de octubre. El simposio permitió divulgar el conocimiento y los avances en investigación en el área de las ciencias ingenieriles biomédicas, así mismo, promover el desarrollo de la investigación científica y tecnológica, conformar alianzas entre instituciones, grupos de investigación y empresas, para contribuir al desarrollo académico, científico y tecnológico de la región y el país. Durante el simposio se realizaron conferencias magistrales de científicos reconocidos a nivel nacional e internacional; encuentros de discusión; ronda empresarial, donde participaron empresas relacionadas con el sector biomédico del país; sesiones orales y de póster, en las que investigadores nacionales presentaron trabajos científicos en las áreas de: 9 Ingeniería Clínica Bioinstrumentación Procesamiento de bioseñales Biomecánica y rehabilitación Modelación y simulación biomédica

10 Ingeniería Biomédica La ingeniería biomédica aplica los principios y las técnicas de la ingeniería en todos sus niveles de desarrollo y desempeño a las ciencias médicas y biológicas. El diseño y la creación de productos y tecnologías de la salud abarcan en esta nueva área del conocimiento el aporte de las nuevas creaciones y aplicaciones que en su progresivo desarrollo se emplean para el beneficio de la salud. Hoy, la ingeniería biomédica tiene la capacidad de intervenir desde todos los frentes y tópicos científicos para buscar la solución a los problemas que aquejan a los seres humanos. 10 Cuando en el área de operación vemos los equipos biomédicos, dispositivos utilizados en el día a día del ejercicio médico y especializado, surge la pregunta: quién controla ese mercado en aspectos tan importantes como su calidad, sus parámetros de bioseguridad, su diseño y aplicación? Sabemos que detrás de cada equipo, máquina de anestesia, monitor de signos vitales, máquina de aféresis, de diálisis, analizador sanguíneo, entre otros, siempre hay un grupo de profesionales investigando he innovando, entregando su vida por completo a la ciencia. De cada producto de investigación y del gran esfuerzo de nuestros profesionales, surgen las más novedosas y sencillas aplicaciones que garantizan el bienestar de los seres vivos. Para estar al nivel de la divulgación científica en el área de la ciencia biomédica, nuestra institución, ITM, y su programa de Ingeniería Biomédica, con responsabilidad y conciencia, le apuesta al desarrollo de eventos en el tema, preparando espacios de congruencia académica y científica que estimulan el desarrollo de las nuevas propuestas de investigación y desarrollo que el día de mañana se capitalizaran en el bienestar de todos». Alfonso Restrepo Jurado Jefe de Programa de Ingeniería Biomédica del ITM

11 Conferencistas y empresas invitadas Conferencistas PhD, Francisco Javier Saiz Rodríguez (España) Ingeniero industrial, Magíster y Doctor en Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de Valencia, con un postdoctorado en la Universidad Johns Hopkins en EEUU. Es catedrático de la Universidad Politécnica de Valencia y director del Grupo de Bioingeniería (GBioe) del Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología Orientada en el Ser Humano (I3BH) de dicha universidad. Tiene una larga trayectoria en investigación, enfocada principalmente en modelos multi-escala del corazón. Conferencia: «Virtual Heart. Modelización y simulación de arritmias cardiacas» MD, PhD, John Bustamante Osorno (Colombia) 11 Médico y cirujano, Doctor en Cardiología, con un postdoctorado en Prótesis y Bioimplantes Cardiacos. Miembro fundador de la Asociación Colombiana de Bioingeniería, capítulo Antioquia. Docente de la Universidad Pontificia Bolivariana y Director del Grupo de Dinámica Cardiovascular de la Universidad Pontificia Bolivariana y del Centro Cardiovascular Colombiano, Clínica Santa María. Presidente del Comité de Bancos de Tejidos y Órganos de Antioquia. Conferencia: «El sistema cardiocirculatorio en el entorno de la bioingeniería: aplicaciones de una disciplina técnica en la cardiología clínica y quirúrgica». Ingeniero Ignacio Escobar Mejía (Colombia) Ingeniero electricista, especializado en Electrofisiología de Membranas. Ha sido miembro de importantes sociedades internacionales, presidente honorario de la Asociación Colombiana de Bioingeniería y Electrónica Médica, capítulo Antioquia. Merecedor de numerosas distinciones. Proclamado «Pionero de la Ingeniería Biomédica en Colombia» en el Congreso de Bioingeniería e Ingeniería Biomédica en 2005; recibió ese mismo año Mención de Honor por la Comisión Segunda Constitucional Permanente del Senado de la República de Colombia. Conferencia: «Ignacio Escobar, mi experiencia en el campo Biomédico en Colombia».

12 MSc, aspirante a PhD, Norman Harold Machado Ramírez (Colombia) Aportes en Ciencias Ingenieriles Biomédicas Físico médico del servicio de Radioterapia, del San Vicente Fundación Hospital Universitario. Con una amplia trayectoria de investigación en el área de física médica. Conferencia: «Detectores de radiación estereotácticos y su importancia en la aplicación de técnicas modernas de tratamiento del cáncer con radiaciones ionizantes». Ing. aspirante a MSc, John Alexander Muñoz Montenegro (Colombia) Presidente de Actividades Profesionales, IEEE, sección Colombia Conferencia: «La disciplina de la Ingeniería Biomédica». Empresas invitadas 12 Dometal Mobiliario clínico y hospitalario GEMEDCO S.A. General Médica de Colombia S.A. Bioservicios S.A.S Tecnología para la vida Laboratorio de Metrología Biomédica ITM Laboratorio de Análisis de Movimiento IPS Fundación Universitaria María Cano Equipos y Controles Industriales S.A - ECI Ingenieros Biomédicos de Colombia El Comité de Rehabilitación Neurotrauma Center

13 Parte II Artículos

14 Evaluación de transformaciones de intensidad para aumento del contraste en imágenes de microscopía de fluorescencia «Premio al mejor póster» Andrés Cardona, 1 Leandro Ariza-Jiménez, 1 Diego Uribe, 1,2 Johanna C. Arroyave Ospina, 1 Fabián M. Cortés-Mancera 1 Introducción 14 La microscopía de fluorescencia permite evidenciar la presencia de proteínas y la localización en compartimentos subcelulares. La calidad de las fotografías tomadas depende no solo del rango dinámico del instrumento sino de la expresión y distribución del marcador que se evalúa, entre otros. Cuando se compromete la calidad de estas imágenes por uno o más de estos factores, se genera una disminución de su contraste, entendiéndose como una marcada concentración de información exhibida en un su histograma para determinados niveles de intensidad (Dougherty, 2009) afectando la realización de medidas cuantitativas. Las transformaciones de intensidad son técnicas de procesamiento digital de imágenes usadas para mejorar la distribución de información del histograma (González, 2002; Dougherty, 2009). Con el fin de mejorar el contraste de imágenes de fluorescencia, se evaluaron tres trasformaciones de intensidad que se aplicaron sobre imágenes de tres líneas celulares con marcaje nuclear (Hoechst) y citoplasmático (anti-b-catenina con Alexa Fluor-488). Al revisar los resultados obtenidos, todas las transformaciones de intensidad mejoraron el contraste de los marcadores fluorescentes independientemente de la línea celular utilizada y del nivel de expresión del marcador. La transformación gamma fue la técnica que generó imágenes con una mejor calidad visual, sin embargo esta mejora subjetiva no se correlacionó con los valores del contraste después del pre-procesamiento. 1 Grupo de Investigación e Innovación Biomédica-GI 2 B, INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO (ITM), Medellín-Colombia. 2 Grupo Genética Regeneración y Cáncer-GRC, Universidad de Antioquia, Medellín-Colombia.

15 Materiales y métodos Cultivo celular e inmunofluorescencia Se utilizaron dos líneas celulares derivadas de cáncer de hígado (HepG2 y SkHep1) y una de cáncer cérvico-uterino (HeLa). El cultivo se realizó en cajas de 25cm 2 utilizando medio de cultivo de DMEM y/o HAM-F12, suplementado con 10% de suero fetal bovino (SBF). Las células fueron tratadas con Tripsina, cuantificadas (cámara neubauer) y sembradas en platos de 96 pozos, a razón de células por pozo. Para la obtención de la base de datos, las células cultivadas fueron fijadas (Paraformaldehído 4%), permeabilizadas (Tween %) y cada pozo fue bloqueado con una solución de proteínas para disminuir la inespecificidad del marcaje (background). Las células pre-tratadas se incubaron con el anticuerpo primario anti-b-catenina, y luego de lavados sucesivos (PBS 1X) fue adicionado el anticuerpo conjugado con Alexa Fluor-488 y el marcaje Hoechst (Invitrogen) para núcleo. Como control negativo, se utilizaron células incubadas solo con el anticuerpo conjugado. La visualización se realizó con microscopio invertido de fluorescencia (Nikon-Eclipse) mediante una lámpara de mercurio y filtros dicroicos que permitían observar el marcaje para Alexa Fluor-488 ( nm; emisión verde) y Hoechst ( nm; emisión azul). Luego se adquirieron 30 imágenes de fluorescencia (resolución 1280x960 píxeles) con aumento de 10X (amplitud numérica 0.25) y 40X (amplitud numérica 0.60), utilizando la cámara digital Nikon DSFi1c. 15 Transformaciones de intensidad Aunque el modelo de color HSV (Hue, Saturation, Value) es mucho más apropiado para llevar a cabo tareas de mejoramiento (Xiao y Ohya, 2007), por defecto las imágenes adquiridas estaban codificadas con el modelo RGB (Red, Green, Blue). Con base en esto, cada imagen fue convertida al modelo HSV y se obtuvo el histograma de su componente lumínica (plano V). Luego se extrajo el intervalo de los niveles de intensidad que utilizaba cada imagen (Pmin y Pmax) y donde se concentraba la información del histograma. El mejoramiento del contraste se realizó con tres transformaciones de intensidad para el plano V: lineal (TL), anti-logarítmica (TAL) y Gamma (TG), esta última con un parámetro de control (V) mayor a uno; y todas ellas centraron su efecto en redistribuir los niveles de intensidad comprendidos entre los valores Pmin y Pmax del plano V (Tabla 1). Luego la imagen pre-procesada y codificada en HSV (con los planos H y S no modificados, y el V con un contraste mejorado) fue devuelta al modelo RGB. El efecto de las transformaciones en cada imagen se evaluó mediante una comparación visual y cuantificando el valor del contraste, antes y después del procedimiento descrito, por medio del cálculo de la desviación estándar del histograma del plano V.

16 Resultados y discusión Al observar los valores Pmin y Pmax, las imágenes teñidas con Hoechst presentaron histogramas con niveles de intensidad menos concentrados en comparación con las imágenes con el marcador Alexa Fluor-488, indicando un mejor contraste en las imágenes del marcador con tinción nuclear, lo que se corroboró con los valores del contraste (Tabla 1). Igualmente, se observó que los valores más altos de contraste se obtuvieron para las imágenes mejoradas con TL, seguidos de los valores obtenidos al aplicar TAL y TG, sin importar la línea celular y la intensidad del marcaje empleado. Sin embargo, en algunos casos el valor de contraste con TG no superó el valor de las imágenes originales, situación más evidente con el marcaje Hoechst (Tabla 1). Tabla 1: Contraste en imágenes microscópicas después de aplicar transformaciones de intensidad 16 Línea Marcador Imagen HeLa SkHep1 HepG2 Alexa Fluor- 488 Hoechst Alexa Fluor- 488 Hoechst Alexa Fluor- 488 Hoechst A1 - A5 B1 - B5 C1 - C5 D1 - D5 E1 - E5 F1 - F5 P min (SD) 0.23 (± ) 0.03 (± ) 0.11 (± ) 0.02 (± ) 0.13 (± ) 0.05 (± ) P max (SD) 0.50 (± ) 0.81 (± ) 0.47 (± ) 0.77 (± ) 0.69 (± ) 0.74 (± ) Rango de γ Cuantificación del contraste TAL IO (SD) TG (SD) TL (SD) (SD) (± (± (± ) (± ) ) ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) IO (Imagen original), TL (Transformación lineal), TAL (Transformación anti-logarítmica), TG (Transformación gamma), SD (desviación estándar). Imágenes adquiridas en magnitud de 10X y 40X (± ) (± ) (± ) (± ) (± ) Fuente: Elaboración del autor Aunque los valores de contraste para las imágenes mejoradas con TG no fueron los mayores, esta transformación dio lugar a imágenes con mejores resultados visuales (Figura 1), ya que su naturaleza no lineal permite revelar detalles no discernibles inicialmente en las regiones más iluminadas de la imagen, al tiempo que las demás regiones sufren una atenuación en su intensidad lumínica (González y Woods, 2002). Por último, se observó que el parámetro de control para las imágenes con TG osciló entre 1.5 y 2.5 para las tres líneas celulares, e independiente del tipo de tinción, salvo algunas excepciones.

17 Figura 1: Comparación visual y cuantitativa en dos imágenes representativas con marcaje fluorescente en las que se aplicaron trasformaciones de intensidad. Imágenes representativas de la línea celular HeLa con el marcador de Alexa Fluor-488 de distribución citoplasmática (Imagen A1 panel superior) en aumento de 10X (emisión verde), y el marcador Hoechst tinción nuclear (Imagen B1; panel inferior) tomada en aumento de 40X (emisión azul) a) IO, b) YL, c) TAL, d) TG. En la parte inferior de cada imagen se especifica el valor del contraste. Fuente: Elaboración del autor Conclusiones 17 Se demostró que el contraste de las imágenes de fluorescencia puede mejorarse al convertirlas a un modelo de color HSV y al aplicar transformaciones de intensidad sobre la componente de luminancia (plano V). La TG exhibió los mejores resultados visuales para todas las líneas celulares y ambos tipos de marcaje fluorescente, aunque esto no se correlacionó con los valores del contraste después del pre-procesamiento (Grant: P10242). Referencias Dougherty, G. (2009). Digital image processing for medical applications. New York: Cambridge University Press. González, R. C., y Woods, R. E. (2002). Digital Image Processing. (2a Ed.). New Jersey: Prentice Hall. Xiao, D., y Ohya, J. (2007). Contrast enhancement of color images based on wavelet transform and human visual system. Proceedings of the IASTED International Conference, Waters, J.C. (2009). Accuracy and precision in quantitative fluorescence microscopy. The Journal of Cell Biology. 185(7),

18 Diseño de un tubo endotraqueal para la Prevención de Infecciones Nosocomiales Claudia Marcela Aguirre Vásquez, Camilo Andrés Rojas Cifuentes, Jessica Nathalia Sierra Agudelo Universidad Manuela Beltrán, Bogotá, Colombia. Introducción Los efectos adversos asociados a la succión de secreciones con la implementación de catéter cerrado, desencadenan episodios de Neumonía Asociada a Ventilador Mecánico (NAVM) (Ministerio de Salud de Chile, 2008) siendo esta la responsable de más del 50% de las neumonías que poseen una alta mortandad (Ministerio de Salud de Chile, 2008), incluyendo la aparición de infecciones nosocomiales, la colonización bacteriana y las lesiones en la mucosa traqueal. 18 Esto ha sido confirmado por estudios in vivo en ovejas intubadas (Berra, 2004), las cuales fueron sometidas a aspiración subglótica continua y ventilación mecánica durante 3 días, demostrando con ello la presencia de lesiones en la mucosa traqueal, incluyendo necrosis y la consecuente exposición del cartílago traqueal. Además, un estudio clínico demuestra que el 43% de 40 pacientes (Berra, 2004) sometidos a aspiración subglótica que fueron evaluados endoscópicamente, revelan hernia de la mucosa traqueal en el lumen subglótico. Con el objeto de prevenir la aparición de los efectos adversos que conlleva la aspiración de secreciones con catéter de succión cerrado, se establece el diseño de un Tubo Endotraqueal (TET) compacto, el cual reemplazaría este sistema convencional integrando un novedoso modelo de succión que mantiene las propiedades mecánicas y funcionales del TET, logrando la disminución significativa de las lesiones en la mucosa traqueal, puesto que no es necesaria la introducción de una sonda adicional para efectuar el proceso de succión de secreciones, evitando con ello la aparición de infecciones nosocomiales, la reducción en las tasas de mortalidad asociadas con la praxis de este tipo de procedimientos, la eliminación de los riesgos sobre la salud de los pacientes y por tanto una mejora en la calidad de los tratamientos. Finalmente, tomando como base que la incidencia de NAVM da lugar a un incremento en los costos por procedimiento y de estancia hospitalaria, este nuevo dispositivo brinda una mejora significativa en la calidad de los procedimientos y además la reducción en los costos intrahospitalarios. Materiales y métodos Se efectuó un estudio descriptivo en el cual se tuvo en cuenta la incidencia de pacientes con infecciones nosocomiales y lesiones en la mucosa traqueal; esto como consecuencia de la praxis de succión de secreciones empleando el sistema cerrado convencional.

19 Se plantearon cambios estructurales en el sistema estándar, donde se diseñaron dos prototipos en los que se propuso un modelo de succión lineal y en espiral a lo largo del espesor del tubo. Así mismo, se empleó SolidWorks como software para el desarrollo del bosquejo de un sistema de succión cerrado convencional y de los prototipos propuestos. Resultados y discusión Diseño de sistema de succión cerrado estándar Se desarrolló un bosquejo estándar empleando SolidWorks, en el cual se tuvo en cuenta sus características estructurales, tales como: el balón y la curvatura del tubo endotraqueal, la sonda de succión, la válvula de control y el sistema de conexión al ventilador mecánico (Figura 1). Figura1: Estructura del tubo endotraqueal estándar Fuente: Elaboración del autor Diseño del sistema de succión lineal y en espiral a lo largo del espesor del tubo 19 Se diseñaron dos prototipos de extracción de secreciones con la finalidad de reemplazar el sistema de succión cerrado convencional, cuyo objetivo es garantizar que los estándares de presiones se ajusten a las necesidades del paciente, evitando los efectos adversos generados por el sistema de succión cerrado estándar. Así mismo se busca garantizar el soporte del tubo evitando el colapso de este, por lo que se propone, además, integrar una nueva propuesta en la que el espesor del tubo tiene una estructura en espiral (Figura 2) y lineal (Figura 3) que permite llevar a cabo la extracción de secreciones. Figura 2: Diseño de sistema de succión espiral a lo largo del espesor del tubo Fuente: Elaboración del autor

20 Figura 3: Diseño de sistema de succión lineal a lo largo del espesor del tubo Conclusiones Fuente: Elaboración del autor Se realizó el diseño estructural del sistema de succión cerrado convencional con el fin de caracterizar similitudes y diferencias que permitan la optimización del procedimiento y la reducción en los costos por procedimiento. Se efectuaron modificaciones en el diseño del sistema cerrado de succión estándar, acondicionando un medio de succión lineal y en espiral a lo largo del espesor del tubo con el fin de reducir la incidencia de infecciones nosocomiales. 20 En los diseños propuestos se pretende conservar las condiciones estructurales y funcionales del tubo, evitando su colapso, dadas las presiones internas establecidas durante la práctica del procedimiento de succión de secreciones. El diseño más apto que permite reemplazar el sistema de succión cerrado convencional corresponde al modelo en espiral a lo largo del espesor del tubo, dado que esta estructura probablemente presente una distribución de presiones en forma homogénea al paso de las secreciones, proporcionando una mayor estabilidad y reducción de fractura y/o colapso del tubo. Referencias Ministerio de Salud. Gobierno de Chile. Subdepartamento de Salud Valdivia. (2008). Norma 10. Prevención de infecciones intrahospitalarias asociadas a procedimientos sobre la vía respiratoria. Chile: Comité de I.IH. Deem, S., y Treggiari, M. (2010). New Endotracheal Tubes Designed to Prevent Ventilator Associated Pneumonia: Do they Make a Difference? Respiratory Care, 55. Berra, L., De Marchi, L., Paningada, M., Yu, Z.X., Baccarelli, A., y Kolobow, T. (2004). Evaluation of continuous aspiration of subglottic secretion in an in vivo study. Crit Care Med, 32(10),

21 Diseño de implante a la medida para el tratamiento de la displasia de cadera Alejandra Bojacá Londoño, Carolina Pimentel Gutiérrez, Leidy Rodríguez Rojas, MSc Carlos Andrés Pérez Angarita Universidad Manuela Beltrán, Bogotá, Colombia Introducción La articulación de cadera constituye en nuestro cuerpo una región muy importante, ya que permite gran cantidad de movimientos en nuestras extremidades inferiores, pero también presenta un sinnúmero de patologías, sea por desgaste óseo (frecuente en adultos) o principalmente por la displasia de cadera, que se evidencia en el momento del nacimiento y evoluciona negativamente obstruyendo la movilidad normal de los miembros inferiores, si no es tratada a tiempo (Sánchez, 1998). Este trabajo se realiza con el principal objetivo de llevar a cabo una metodología práctica para el diseño de una prótesis estable y resistente que pueda asegurar una mejor calidad de vida para el paciente. El estudio anatómico, clínico y biomecánico realizado a través de imágenes obtenidas por TAC (Tomografía Axial Computarizada), que se reconstruyeron con el software 3D-Doctor, generaron un resultado óptimo y un diseño final de una prótesis física y otra manipulable de acuerdo a las características de cada paciente. 21 Materiales y métodos Para el diseño de un implante de cadera (Figura 1) de un paciente con trastornos crónicos como la displasia de cadera, se lleva a cabo después de tener análisis clínicos pertinentes, como lo son: pruebas físicas e imágenes radiológicas. Se dispone a realizar el diseño de la prótesis que se pretende implantar. Este trabajo se dividió en 3 fases: Fase de modelamiento: se realiza un TAC (Tomografía Axial Computarizada) de un paciente con displasia de cadera, con estas imágenes en 2D, se crea el diseño en 3D de la cadera. En el software especializado 3D-DOCTOR. El diseño resultante se importa en un fichero STL, que puede ser abierto en otro software de análisis CAD. El archivo importado se abre en un nuevo software llamado CATIA, el cual crea una malla que cubre el diseño previamente obtenido.

22 Figura 1: Imágenes axiales de cadera y modelo de reconstrucción Fuente: Elaboración del autor Fase de diseño: se crean las piezas correspondientes al implante de acuerdo con las dimensiones antropométricas, por otro lado, se busca la unión de todos los elementos de la prótesis de la cadera utilizando herramientas de SolidWorks. Fase de ensamble: SolidWorks simula la extrusión dentro de los huesos de esta articulación y se inserta sobre el modelo generado a partir de la reconstrucción del acetábulo y el fémur. Resultados y discusión 22 El resultado obtenido luego de ensamblar correctamente, fue el siguiente (Figura 2). Al momento de realizar una prótesis de cadera se deben tener en cuenta medidas específicas para cada paciente que tenga esta patología, ya que cada persona según su contextura, edad y lo avanzada que se encuentre la displasia de cadera, necesitara una prótesis diferente (Comin, 1998), la cual será implantada y cumplirá el funcionamiento adecuado para el movimiento normal de la extremidad, brindándole así una mejor calidad de vida. La realización de las prótesis se determina a través de un análisis anatómico, clínico y biomecánico. Figura 2: Prótesis Total de cadera insertada Fuente: Elaboración del autor

23 De igual manera, con el paso del tiempo, muchos investigadores han estado estableciendo parámetros y pautas mejorando los métodos de realización de prótesis adecuadamente para cada paciente (Dimián, 2005). Con estos parámetros se busca evitar errores o grandes desviaciones al momento de implantar cualquier prótesis, ya que varios de los componente de la prótesis necesitan un acople y una resistencia para poder conseguir con ello un mejor agarre de la prótesis en el paciente. Conclusiones Se diseñó un prototipo de prótesis de cadera como tratamiento de la displasia de cadera usando distintos software, los cuales permitieron observar qué tipos de correcciones son las que llevaba el implante deseado. Se evidenció, mediante exámenes realizados a pacientes, las características de una cadera en un paciente normal y otra que presentaba la patología, por medio de la comparación entre estas se llegó a la realización de un diseño estable y resistente. El estudio biomecánico de la cadera es de gran complejidad debido a los comportamientos cinéticos, cinemáticos, fuerzas y diferentes tensiones. Referencias Comin, M. (1998). Biomecánica articular y sustituciones protésicas, Valencia: Instituto de Biomecánica de Valencia. 23 Urbano, V., Meschian S., y Solas, J. (2011). Cirugía del dolor y de la movilidad. En cirugiaarticular.com/protesis/cadera/. Sánchez, P., y Arbeláez, W. (1998). Análisis biomecánico de la displasia acetabular en cadera: tomografía computarizada tridimensional. Revista Colombiana de ortopedia y traumatología, Dimián, O.D., Sandoval, A., Vargas, M., y Pérez, J. (2005). Profundización de copas acetabulares no cementadas en reemplazo total de cadera. Revista Colombiana de Ortopedia y Traumatología, 19 (4), Angulo, M.T., y Álvarez, A. (2009). Biomecánica de la extremidad inferior. Reduca, 1(3),

24 Reconocimiento de onda p300 en sistemas BCI basado en medidas de entropía: Apen, Sampen y Fuzzyen Ricardo Espinosa Departamento de Ingeniería Biomédica, Corporación Universitaria de Ciencia y Desarrollo UNICIENCIA, Bogotá D.C, Colombia. Introducción Una interfaz cerebro computadora (Brain-Computer Interface (BCI)), es un sistema de comunicación que permite por medio de la actividad cerebral controlar dispositivos sin ninguna ayuda muscular periférica (Wolpaw, 2002). El objetivo es brindarle a persona con discapacidades motoras la posibilidad de controlar mecanismos que le permitan mayor independencia (Bashashati, 2007). El sistema BCI reconoce patrones en la actividad cerebral del usuario, registrados mediante electroencefalografía superficial (EEG) y los traduce a comandos (Bashashati, 2007). 24 Uno de los patrones de actividad cerebral comúnmente utilizados en BCI son los potenciales evocados relacionados a eventos (Event Related Potentials ERP). Uno de estos potenciales es la onda P300 (Wolpaw, 2002), la cual es un potencial de amplitud variable con pico positivo que ocurre a unos 300ms después de aplicado un estímulo visual, auditivo o somatosensorial (Alexander, 1996). En la actualidad, el paradigma Odd Ball es el más usual para obtener los ERP (Alexander, 1996). En esta técnica se le indica al paciente cuáles son los estímulos frecuentes y cuáles los raros. Los ERP obtenidos se muestras contaminados con potenciales de actividad fisiológica (EOG, EMG y ritmos EEG) (Fatourechi, 2007), adicionalmente, existe contaminación técnica como artefactos por movimiento, la tensión a 60Hz y ruido propio de la instrumentación (Horsch, 2004). De tal forma que la amplitud de la señal de ERP es muy inferior a la amplitud del ruido, esto causa una disminución significativa en la relación señal a ruido (SNR de las siglas en inglés signal-to-noise ratio) (Niedermeyer, 2005), por tal razón es recomendable el uso de diferentes métodos y medidas que permitan descubrir la presencia de la onda P300 en las señales registradas contaminadas con ruido. En este trabajo, proponemos el uso de medidas estadísticas de entropía, de gran interés en la cuantificación de la regularidad de series de tiempo de señales fisiológicas. Las técnicas tradicionales que miden la entropía (ApEn, SampEn y FuzzyEn) aumentan con el grado de desorden y es máxima para sistemas completamente aleatorios. Por tal razón pueden ser útiles como estimadores de la presencia de ondas P300 en los potenciales registrados. Para esta comprobación utilizamos una onda ERP simulada contaminada con ruido blanco.

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