Abstract
This paper addresses the bioengineering is a science that studies the solution of problems concerning the health of human beings, through biomedical. Biomechanics helps to build artificial organs for the best development in human health.
Index Terms—Bioingeniería, biomédica, biomecánica, órganos artificiales.
Introducción
ESTE documento está dirigido a resaltar la importancia que la bioingeniería ha logrado en estos últimos tiempos, como una ciencia capaz de ayudar a resolver los grandes problemas que el hombre hasta antes de su aparición no había logrado solucionar, referentes a la salud del ser humano, cuando órganos claves para su funcionamiento, no podían ser reemplazados ni sustituidos, e irremediablemente estaba condenado a vivir una vida llena de dolor y sufrimiento hasta cuando le llegaba la muerte.
Proporcionar a la humanidad de varias alternativas para resolver grandes problemas de la salud, es cuanto busca este amplio campo de la ciencias denominada como bioingeniería y que actúa a través de las ramas de la ingeniería biológica, la ingeniería biomédica y de la ingeniería clínica, las mismas que actualmente se desenvuelven en forma independiente en cada uno de los campos en los cuales han profundizado su investigación y aplicación para servir a la humanidad.
Este trabajo busca enfocar cada una de estas ramas en su campo de acción y cuales los beneficios que actualmente prestan a la humanidad, especialmente en el campo de la salud.
Conceptos
A. Ingeniería Biomédica
La ingeniería biomédica es una disciplina que une a la ingeniería y la medicina; aplica los principios, métodos, tecnología de la ingeniería para así poder comprender y resolver problemas de biología y medicina [3].
La ingeniería biomédica tiene un amplio campo de acción, por lo que se conoce como una ciencia multidisciplinar. Existen diversos desgloses de disciplinas para esta ingeniería, como son [4]:
Biomagnetismo y técnicas cerebrales.
Biomateriales.
Biomecánica y biotransporte.
Instrumentación médica.
Ingeniería molecular y celular.
Biología de sistemas.
Edgar Chuva Gomez: Estudiante de Ingeniería Electronica, Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca, e-mail: [email protected].
B. Bioingeniería
Según la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define la bioingeniería como: "La ciencia que estudia y busca la aplicación de principios y métodos de las ciencias exactas, en general, y de la ingeniería, en particular, a la solución de problemas de las ciencias biológicas y médicas" [1], [2]; también se manifiesta que el IEEE dividió a la bioingeniería en tres grandes áreas:
1. Ingeniería clínica. Está contenida en la ingeniería biomédica, se dirige tratar los problemas asistenciales de salud en hospitales y trabaja junto a la medicina con su misma jerarquía e integrada a ella.
2. Bioingeniería o ingeniería biológica. Esta rama trata sobre el descubrimiento de nuevos fenómenos e intenta dar una mejor visión de fenómenos ya conocidos. Se considera como la más general y básica.
3. Ingeniería biomédica. Está contenida en la bioingeniería, se orienta hacia el ser humano, con la finalidad de manejar las enfermedades, se investigan los problemas básicos y aplicados.
Aplicaciones
A. Biomecánica
La biomecánica estudia la actividad del cuerpo humano. El objetivo de este estudio es de las estructuras carácter mecánico del cuerpo humano; para lograr esto se apoya en diversas ciencias biomédicas, en las que se aplican los conocimientos de la mecánica, ingeniería, anatomía, y la fisiología. La finalidad es estudiar el comportamiento para poder resolver los problemas que se pueden presentar por distintas condiciones que pueden ser sometidos como enfermedades que pueden afectar al ser humano [5], [6].
Algunas de las investigaciones son en:
Sensores
Estimuladores
Órganos artificiales
Prótesis
La biomecánica ha alcanzado un gran desarrollo en la realización de partes u órganos del cuerpo humano.
1) Órganos artificiales: Se entiende como órganos artificiales a dispositivos electrónicos que son implantados en el cuerpo humano para sustituir un órgano con el objetivo de que este puede cumplir la misma función. Con lo que el dispositivo no puede contener cables, ni baterías que necesiten estar conectadas a una batería de forma continua [7], [8].
Existen algunos tipos de órganos artificiales como son:
Cerebro
Corazón
Cuerpos cavernosos
Hígado
Extremidades
Oído
Ojo
Ovarios
Pulmones
Páncreas
Tráquea
Válvulas estomacales: Cardias y Píloro.
Vejiga
B. Corazones Artificiales
Es una prótesis o un dispositivo que se implanta en el cuerpo humano para reemplazar al corazón biológico que va a cumplir con las mismas funciones que el reemplazado [9].
Existen dos tipos de corazones artificiales:
TAH (Corazón Artificial Total): es un dispositivo que requiere de la misma intervención como la que se realiza en un trasplante de corazón, es decir que se realiza un reemplazo del corazón biológico por el de la prótesis [10], [11].
El VAD (Dispositivo de asistencia cardíaca): es un dispositivo que no se requiere de extraer el corazón biológico durante la implantación del dispositivo; este se coloca junto al corazón del paciente para brindar un soporte y asistencia al órgano mientras se recupera; estos se dividen en LVAD (asistencia ventricular izquierda) y RVAD (asistencia ventricular derecha) [10], [12].
1) Corazón Artificial Total (TAH): El primer corazón artificial permanente fue implantado el 1 de diciembre de 1982. Fue Syncardia CardioWest quién desarrolló el primer corazón artificial e implantable que recibió el visto bueno de la FDA, el provisional "Total Artificial Heart" o "TAH-t" (Corazón Totalmente Artificial). Fig. 1. [13], [17], [18].
Figure 1. Corazón Artificial [13]
Funcionamiento: el sistema del dispositivo se basa en una combinación de tejidos animales y titanio. "En los tejidos animales se realiza un tratamiento químico que los vuelve inofensivos al cuerpo humano; y se emplea una correcta distribución de los diferentes flujos sanguíneos que se adaptan mejor al organismo y evitan la formación de coágulos"
[14], [15].
Está formado por una bomba de flujo axial (4cm de largo y un peso de 400 gramos), "se coloca dentro del tórax, y va conectada con un cable que sube verticalmente hacia la oreja izquierda, por donde sale para ser recargado con corriente eléctrica, usando un sistema parecido al de una batería de teléfono móvil" [19]. Esta bomba está compuesta por un motor bomba por cánulas de entrada y salida, y una unidad de control.
La misma que impulsa la sangre desde el ápex del ventrículo izquierdo (la punta del corazón) hasta la aorta. Es accionada de forma electromagnética La turbina rota a una velocidad de entre 6.000 y 15.000 revoluciones por minuto y proporciona de 8 a 10 litros de flujo continuo por minuto, Fig. 2.
La prótesis se encuentra dentro del cuerpo del paciente y un cable cruza la piel y se conecta con la unidad de control, esta a su vez funciona con energía eléctrica o con dos baterías que le da una autonomía de unas 12 horas. Implantado en el cuerpo no necesita calibraciones [16], [20].
Figure 2. Corazón artificial, expuesto en el Museo de Ciencia de Londres
[15].
Este dispositivo está diseñado para adecuarse a las necesidades de cada paciente, por los sensores electrónicos que lo componen. Así se puede controlar: el flujo sanguíneo, la frecuencia cardiaca y la presión arterial [15].
2) Dispositivo de asistencia cardiaca (VAD): Es un dispositivo como una bomba mecánica que ayuda a un corazón enfermo a bombear sangre al cuerpo. Este dispositivo no reemplaza al corazón dañado [21].
EL dispositivo puede bombear sangre al ventrículo izquierdo (LVAD), al ventrículo derecho (RVAD) o a ambos a la vez (BiVAD) [12], [22].
Funcionamiento: ayuda al corazón del paciente a bombear suficiente sangre a todo el cuerpo.
El VAD contiene una bomba, un sistema de control y un suministro de energía. Pueden tener una batería o pueden tener aire comprimido. Fig. 3. [22], [24].
Figure 3. Un dispositivo de asistencia ventricular para el ventrículo izquierdo (LVAD) que impulsa la sangre desde el ventrículo hacia la aorta, conectado a una unidad de control externa y a las baterías [22].
La energía y el sistema de control se encuentran fuera del cuerpo, y la bomba puede colocarse dentro o fuera del cuerpo. Fig. 4. [24].
Figure 4. Transferencia de energía [24].
En el dispositivo, la sangre fluye desde los ventrículos hacia el interior de una bomba. El dispositivo de asistencia ventricular izquierda (LVAD) recibe sangre del ventrículo izquierdo y la conduce hacia la aorta, la gran arteria que transporta la sangre desde el corazón hacia el resto del cuerpo. El dispositivo de asistencia ventricular derecha (RVAD) recibe sangre del ventrículo derecho y la conduce hacia la arteria pulmonar, la arteria que transporta la sangre desde el corazón hacia los pulmones. Fig. 5. [23], [25].
Figure 5. Funcionamiento de un dispositivo de asistencia de ventrículo izquierdo (LVAD) [25].
Un VAD alivia parcialmente los síntomas de insuficiencia cardíaca severa, como la respiración entrecortada y la fatiga.
Conclusiones
La humanidad hasta antes de la aparición y desarrollo de esta ciencia, siempre consideró que cuando alguno de los órganos del cuerpo humano sufría algún deterioro ya como consecuencia de una enfermedad o de un accidente, irremediablemente no le quedaba más que esperar una larga enfermedad o una muerte, ambas llenas de sufrimiento y dolor. En la actualidad lo que esta ciencia busca es llegar a todos los estratos sociales para que se beneficien con el producto de sus investigaciones, especialmente disminuyendo el costo unitario de cada producto, para que sea accesible a quienes urgentemente requieren de los mismos, para aliviar sus dolencias.
A futuro, esta ciencia debe profundizar sus investigaciones en otros campos de la salud del ser humano, especialmente al relacionado con lesiones que producen enfermedades que o destrucción o deterioro de partes componentes del cerebro que producen graves enfermedades mentales hasta hoy no resueltas ya que aún no existe curación.
References
[1] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE); Disponible en la página de Internet URL: ieee.org.
[2] Valentinuzzi, Máximo Eugenio. Objetivos de la bioingeniería. En: Mompin Poblet, José. Introducción a la Bioingeniería. España: Boixareu editores, 1998.
[3] Joseph D. Bronzino. Biomedical Engineering Handbook (2000 edición). CRC Press. ISBN 0-8493-0461-X.
[4] Introducción a la bioingeniería (1988 edición). Marcombo. ISBN 8426706800.
[5] Vera, 1994.
[6] Villafañe, Carlos (2008). Biomédica: Desde la Perspectiva del Estudiante (1 edición). Techniciansfriend.com/Lulu.com. pp. 164. ISBN 978-0-61524158-6.
[7] American Society for Artificial Internal Organs (ASAIO).
[8] Valentinuzzi, M.E. Hippocrates Oath. IEEE Technology and Society, 15(3): 46-7, 1996.
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[10] Texas Heart Institute at St. Luke Episcopal hospital. Disponible en: http://texasheart.org/Research/Devices/.
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[12] Orthotopic cardiac prosthesis for two-staged cardiac replacement. Am J Cardio 1969;24:723-30.
[13] Artificial Heart in the chest: Preliminary report. Trans.Amer. Soc. Inter. Organs, 1961,7:318.
[14] Ablation experimentale et replacement du coeur par un coer artificial intra-thoracique. Lyon Cirurgical,1961, 57:704.
[15] Prolonged Assisted circulation after cardiac or aortic surgery. Prolonged partial left ventricular bypass by means of intracorporeal circulation. This paper was finalist in: The Young Investigators Award Contest of the American College of Cardiology. Denver, May 1962 Am.J. Cardiol. 1963,12:399-404.
[16] Orthotopic cardiac prosthesis for two-staged cardiac replacement. Am J Cardio 1969;24:723-30.
[17] FDA Approves First Totally Implanted Permanent Artificial Heart for Humanitarian Uses at FDA.gov.
[18] George B. Griffenhagen and Calvin H. Hughes. The History of the Mechanical Heart. Smithsonian Report for 1955, (Pub. 4241): 339-356, 1956.
[19] Liotta D., Taliani T., Giffoniello A.H., Sarria Deheza F., Liotta S., Lizarraga R., Tolocka R., Pagano J., Biancciotti E. (1961a). Artificial Heart in the chest: Preliminary report.
[20] Trans. Amer Soc Int Organs, 7: 318-322. Liotta D., Taliani T., iffoniello A.H., Liotta S., Lizarraga R., Tolocka L., Pagano J. (1961b). Ablation experimentale et replacement du coeur par un coer artificial intrathoracique. Lyon Chirurgical, 57: 704-714.
[21] Vegas, Annette (2008). «Assisting the Failing Heart». Anesthesiology Clinics 26 (3): p. 539-564. PMID 18765222.
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[23] Liotta D., Novel left ventricular assist system, An electrocardiogramsynchronized LVAS that avoids cardiac cannulation, Texas Heart Institute Journal 2003, 30: 194-201.
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[25] Kotzar, Geoffrey; Freas, Mark; Abel, Phillip; Fleischman, Aaron; Roy, Shuvo; Zorman, Christian; Moran, James; Melzak, Jeff (2002). «Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices». Biomaterials 23 (13). doi:10.1016/S0142-9612(02)00007-8.
Autor:
Edgar Rafael Chuva Gomez,
Universidad Politécnica Salesiana
Electrónica Analogica
Sede Cuenca