i1. INTRODUCERE

Ingineria biomedicala studiaza aparatura de investigare, terapie, monitorizare si de laborator utilizata in biologie si in medicina, precum si principiile, metodele si tehnicile care stau la baza exploatarii acestei aparaturi. Ingineria biomedicala creeaza modele functionale, aparatura medicala, implanturi si proteze mecanice, organe artificiale. De asemenea, Ingineria medicala presupune nu numai producerea de echipamente biomedicale performante, ci si utilizarea acestor echipamente in conditii de calitate a actului medical si de securitate pentru pacient si personalul medical.

Cele mai simple actiuni ale vietii de zi cu zi constituie obiect de studiu pentru specialistii din domeniul Bioingineriei (biologi, fizicieni, ingineri si medici). Progresele obtinute in domeniul Bioingineriei constituie rezultatele muncii in echipa a bioinginerilor si a medicilor.

Ramurile ingineriei biomedicale conform clasificarii IEEE - EMBS (Societatea de Inginerie in Medicina si Biologie ) sunt:

ü     Biomecanica - studiaza mecanica fluidelor (simularea functionarii aparatelor cardiovascular si urinar, analize de laborator, tratamente specifice - hemodializa) si mecanica corpului solid (studiul functionarii aparatului locomotor, implantare si protezare, osteosinteza fracturilor). Un capitol aparte al Biomecanicii il constituie tehnicile sportive, imbunatatirea performantelor sportivilor.

ü     Biomateriale - studiaza aparatura medicala de interventie (ace, electrozi, instrumentar operator, etc.), protezele anatomice (implanturi, interventtii stomatologice) din punct de vedere al calitatii materialelor utilizate, in special al biocompatibilitatii.

ü     Biotehnologii medicale - se refera mai ales la proiectarea, producerea si utilizarea de materiale noi (instrumentatie, medicamente, etc), elaborarea de tehnologii terapeutice.

ü     Biosenzori - se ocupa cu detectarea semnalelor (informatiilor) fiziologice si convertirea lor in semnale "tehnice" standardizate, de cele mai multe ori electrice, pentru a fi cuantificate.

ü     Modelarea, simularea si controlul sistemelor biologice - urmareste stabilirea unor teorii cat mai riguroase privind mecanismele de desfasurare a proceselor fiziologice si modelarea matematica a acestora in scopul limitarii experimentelor "in vivo".

ü     Instrumentatie biomedicala - in stransa legatura cu domeniul biosenzorilor si biomaterialelor; vizeaza cresterea calitatii si sigurantei investigatiilor medicale utile in diagnosticare, interventiilor terapeutice si chirurgicale, monitorizarea actului medical, etc.

ü     Analiza semnalelor in medicina si biologie - prelucreaza si analizeaza statistic semnalele inregistrate prin diferite masurari in scopul extragerii maximului de informatie utila in diagnosticare si monitorizare.

ü     Bioingineria de recuperare - prezinta aspecte terapeutice prin procedurile medicale recuperatorii (balneo si fizioterapie, stimulare electrica si magnetica) asistate de aparatura specializata, dar si de protezare, in acord cu domeniile biomaterialelor si biosenzorilor).

ü     Implanturi - proteze si organe artificiale - domeniu strans legat de cel al biomaterialelor si al simularii si modelarii fiziologice, avand drept scop inlocuirea unor segmente anatomice cu structuri similare artificiale; se pun probleme de compatibilitate functionala si toleran-s din partea organismului. Implanturile se pot clasifica din punct de vedere functional in implanturi active (organele artificiale) si implanturi pasive (protezele).

ü     Efecte biologice ale campului electromagnetic - interactiunea dintre organismele vii si campurile electrice si magnetice din mediu este un proces continuu si din ce in ce mai accentuat prin dezvoltarea civilizatiei moderne; se pot pune in evidenta atat influente negative ("poluare electromagnetica"), cat si benefice (terapeutica medicala in mediu electromagnetic); apar probleme de dozare si control in expunere.

ü     Informatica medicala - prezinta mai multe aspecte:

gestiune de date in cadrul evidentei institutiilor medicale (personal, financiar, fise medicale, foi de tratament, etc.);

baze de date cu informatii medicale accesibile unor comunitati medicale extinse (telemedicina, colectie radiologica stocata in imagini, dictionar ECG, colectii de imagini tomografice, etc);

asistenta computerizata in desfasurarea sau pregatirea interventiilor clinice - monitorizare, modelare;

utilizarea facilitatilor multimedia in scop informational si educativ.

ü     Imagistica medicala - metoda moderna si tot mai raspandita de diagnosticare medicala (CT, RMN, ultrasunete, etc) se asociaza modelarii matematice si este deosebit de utila in cercetarea medicala.

ü     Inginerie clinica - vizeaza proiectarea si dezvoltarea de facilitati in domeniul medical (aparatura, constructii, tehnici terapeutice, etc.) oferind solutii tehnice problemelor ridicate de medici.

1.2. Clasificarea aparatelor medicale

O categorie importanta a aparatelor medicale o constituie aparatele electronice, dotate cu calculatoare si software-uri specializate. Acestea permit obtinerea rezultatului imediat, ofera posibilitatea explorarii nedistructive, in majoritatea situatiilor, precum si transmiterea, stocarea informatiilor in baze de date si monitorizarea in timp a investigatiilor efecuate. De asemenea, acest tip de ararate nu influenteaza activitatea biosistemelor.

În prezent, o alta categorie de aparate biomedicale din ce in ce mai raspandite, o constituie aparatele purtate de individ, respectiv cele care pot fi utilizate la domiciliul pacientului pentru controlul parametrilor fiziologici, respectiv pentru tratament (termometre, tensiometre, aparate pentru glicemie, aparate pentru dializa, etc).

Rezultatele spectaculoase obtinute cu aparatele biomedicale moderne sunt datorate utilizarii computerelor.

Principalul criteriu dupa care pot fi clasificate aparatele medicale consta in scopul pentru care acestea sunt folosite. Astfel, din punct de vedere al destinatiei, aparatele biomedicale pot fi grupate in:

Aparatura de laborator, destinata efectuarii diferitelor teste microbiologice, in scopul stabilirii unui diagnostic sau pentru cunoasterea structurii si proprietatilor biochimice sau biofizice, a parametrilor fiziologici pentru anumiti compusi chimici sau probe prelevate din diferite organe: analizoare hematologice, analizoare biochimice, fotometre, analizoare imunologice, ;

Aparatura pentru diagnostic si cercetare (aparatura pentru explorari functionale), destinata investigarii organismului uman, in scopul cunoasterii starii normale sau patologice a acestuia: termometre, stetoscoape, fonocardiografe, electrocardiografe, electroencefalografe, electromiografe, electroretinografe, aparate pentru masurarea conductivitatii pielii, reografe de impedanta pulmonara sau vasculara, aparate Rötgen, etc; tensiometre, otoscoape, oftalmoscoape, laringoscoape, glucometre, etc.

Aparatura pentru terapie, destinata tratamentului unei anumite afectiuni: stimulatoare ale sistemului nervos sau muscular,, bai de curent continuu, aparate pentru electroliza, aparate pentru electroforeza, aparate pentru diatermie cu unde scurte sau microunde, ionizatoare, aparate cu raze X, cu radiatii Gamma sau cu fascicule de electroni, generatoare de infrarosii, generatoare de ultraviolete, vibratoare, aparate de masaj, aparate laser, aparate pentru hemodializa, aparate pentru fizioterapie (ultrasunete, microunde, unde scurte, laser, vacuum, magnetice, etc), unituri dentare, aparate aerosoli, etc;

Aparatura si instrumentar pentru chirurgie, destinata interventiilor chirurgicale: bisturie, aparate pentru electrocauterizare (elecrocautere si electrobisturie), laparoscoape, mese de operatie, lampi scialitice, aspiratoare chirugicale, instalatii pentru apa sterila, etc;

Aparatura pentru anestezie, destinata proceselor de anestezie si monitorizarii pacientului pe perioada anesteziei ventilatie paturi A.T.I., monitoare, defibrilatoare, pulsoximetre, etc.

Aparatura pentru monitorizare;

Aparatura pentru sterilizare, destinata sterilizarii instrumentarului utilizat in interventiile medicale autoclave, pupinele, etc;

Aparatur a si echipamente pentru asistenta medicala de urgenta: trolii, extractoare portabile cu vacuum, aparate pentru reanimare, defibrilatoare, ventilatoare portabile, etc;

Aparatura pentru implantare/protezare, destinata reabilitarii sau suplinirii functiilor naturale ale corpului uman. Prin intermediul sistemelor de grafica asistata de calculator (CAD), ingineria biomedicala si chirurgia ortopedica pot construi proteze individualizate. Anatomia segmentului ce urmeaza a fi implantat sau protezat este inregistrata printr-o tehnica imagistica, iar modelul 3D este realizat folosind programe specializate de reconstructie. Sistemul CAD realizeaza proiectul sistemului de implantare/protezare, iar sistemul CAM executa implantele/protezele, precum si dispozitivele necesare interventiei.

Aparatele auditive sunt probabil cele mai raspandite aparate senzoriale produse de ingineria biomedicala. Acestea pot sa contina fie tranzistori amplificatori, fie mici circuite integrate care amplifica undele sonore mult peste pragul de audibilitate la oameni (intre 20 si 32 mii Hz). Undele sonore amplificate sunt transmise prin craniu si prin structurile auditive din ureche. Detectarea vorbirii poate fi facuta eficient prin internediul unui chip. Un program continut intr-un chip poate extrage si amplifica foneme sau grupuri de sunete nazale si vocale din vorbirea unei persoane catre o persoana ce prezinta deficienta de auz si care are montat in ureche un astfel de chip.

Organe artificiale au ca scop primordial mentinerea vietii. Acestea includ stimulatoare cardiace, plamani artificiali pentru furnizarea oxigenului in timpul operatiilor pe cord deschis, rinichi artificiali. Calitatea organelor artificiale este conditionata calitatea biomaterialelor, de biocompatibilitatea acestora, de necesitatea utilizarii unor surse de putere mici dar eficiente.

Aparatura pentru cosmetica destinata tratamentelor cosmetice: vaporizatoare, unitati pentru corectarea corpului, electrostimulatoare, electroepilatoare, aparate pentru masaj, aparate pentru terapie cu ultrasunete, aparate pentru termoterapie, camere de ionizare, solare, etc.

Aparatura pentru Fitness, destinata exercitiilor pentru intretinerea si modelarea corpului

Home medical equipments, destinate investigatiilor functionale si tratamentului, respective monitorizarii la domiciliul pacientului. Acest tip de aparate si echipamente sunt utile pentru recuperarile la domiciliu, sunt confortabile si asigura independenta pacientului (mers, imbracat, enjoy hobbies, etc): aparate pentru explorari functionale (temperatura, presiune arteriala, glicemie, etc), echipamente pentru respiratie, scaune cu rotile, suporturi ajutatoare pentru mers, aparate pentru terapie fizica, recuperatorie, etc.

De asemenea, aparatele biomedicale pot fi clasificate in functie de metodele care stau la baza functionarii, respectiv a prelucrarii si interpretarii rezultatelor:

Metode cu radiatii X, folosite atat pentru diagnostic, cat si pentru terapie (angiografia, computer tomografia);

Metode pe baza de curent electric (electroterapie);

Metode bazate pe ultrasunete (efectul Doppler, ecografia);

Metoda rezonantei magnetice nucleare (RMN);

Metode bazate pe imagistica (tomografia, RMN, ecografia, radiografia clasica).

Este dificil de facut o clasificare riguroasa a aparatelor biomedicale in functie de metodele care stau la baza functionarii acestora, deoarece aparatele moderne imbina din ce in ce mai mult diferite metode (combinarea ecografiei cu tehnici Doppler ofera rezultate bune in cardiologie). În prezent, cele mai spectaculoase rezultate sunt obtinute cu aparatele care folosesc metode bazate pe imagistica

Un alt criteriu de clasificare a aparatelor biomedicale consta in gradul de periculozitate al metodelor folosite: metode invazive sau neinvazive. Unele din metode sunt neinvazive, ceea ce constituie un mare avantaj (vizualizarea cu ajutorul ultrasunetelor, rezonanta magnetica nucleara). Exista si metode care necesita cateterizari, injectarea unor substante de contrast si/sau utilizarea unor radiatii ionizante.

1.3. Aparatura pentru diagnostic

Diagnosticul histopatologic se bazeaza, in mare masura, pe experienta diagnosticianului, dar si pe rezultatele investigarilor functionale. În vederea stabilirii unui diagnostic, este necesar sa se cunoasca valorile normale ale parametrilor fiziologici, valorile specifice ale acestor parametri, precum si evolutia in timp a acestora. În starile patologice, stabilirea diagnosticului este rezultatul comparatiei dintre valorile marimilor fiziologice determinate pentru subiectul investigat cu valorile marimilor fiziologice pentru starea normala.

Principalele tipuri de aparate pentru investigarea organismului uman sunt:

Termometrele sunt utilizate pentru masurarea temperaturii corpului uman. Temperatura este o marime fiziologica foarte importanta pentru starea generala a organismului uman. Astfel, de la masurarea obisnuita a temperaturii unui subiect uman cu ajutorul unui termometru obisnuit s-a ajuns la termografele care inregistreaza adevarate harti de temperaturi.

Aparatele pentru masurarea frecventei cardiace (cardiofrecventmetre).

Aparatele pentru masurarea pulsului (pletismografe). Marimile caracteristice pulsului (amplitudine, frecventa) depind de frecventa cardiaca, de debitul sistolic, de elasticitatea vaselor de sange, de presiunea si viteza sangelui. Pletismografia se bazeaza pe variatia volumului tesuturilor ca efect al modificarii fluxului sanguin.

Aparatele pentru masurarea presiunii sangelui pot fi folosite pentru determinarea presiunii arteriale, a presiunii venoase, intrapulmonare, intraoculare, etc. Presiunea sangelui este o marime fiziologica foarte importanta pentru sistemul cardiovascular. Masurarea presiunii sangelui se poate face prin metode directe, cand este folosit un traductor cu cateter, respectiv prin metode indirecte, cu ajutorul sfigmomanometrelor. Metodele directe sunt mai precise, dar necesita strapungerea vasului de sange.

Aparatele pentru masurarea debitului sanguin se bazeaza pe metode directe (debitmetre cu bula, manometre diferentiale, rotametre, debitmetre cu ultrasunete, debitmetre electromagnetice) sau metode indirecte.

Aparatele pentru determinarea impedantei tesuturilor functioneaza pe baza de punte de curent alternativ sau pe baza metodei celor patru electrozi.

Aparatele pentru investigarea sistemului respirator furnizeaza informatii despre volumele si capacitatile respiratorii (spirometre), despre temperatura in fosa nazala (pneumografe), despre impedanta toracica.

Aparatele pentru inregistrarea semnalelor bioelectrice

inregistrarea biopotentialelor electrice generate de inima (vectorcardiografia, electrocardiografia, fonocardiografia);

inregistrarea biopotentialelor generate de creier (electroencefalografia);

inregistrarea biopotentialelor electrice generate de muschi (electromiografia);

inregistrarea biopotentialelor generate de ochi electrooculografie, electroretinografie)

Aparatele de diagnostic cu raze X (Röntgen) ofera o vizualizare a formei si densitatii diferitelor organe, a elementelor de structura ale scheletului uman. Metodele care stau la baza functionarii acestor aparate sunt:

Radioscopia constituie o metoda de investigare dinamica, ce se bazeaza pe efectul de fluorescenta si pe legea absorbtiei selective. Imaginea radioscopica este o imagine pozitiva a zonei investigate. Doza de iradiere este mare, atat pentru pacient, cat si pentru cel care investigheaza. Radioscopia este utilizata pentru investigarea organelor toracice si a tubului digestiv.

Radiografia se bazeaza pe efectul fotochimic al radiatiilor. Imaginea radiografica este o imagine negativa a zonei investigate. Doza de iradiere este redusa. Imaginea obtinuta este transpusa pe un film radiografic (suport transparent acoperit cu substanta fotosensibila).

Tomografia constituie o metoda de investigare a diferitelor organe bazata pe studiul unor sectiuni prin acestea.

Tomografia computerizata reprezinta o metoda de imagistica in care, cu ajutorul unui fascicol de raze X, se produce imaginea unui plan selectat din zona de interes.

Aparatele de diagnostic cu ultrasunete ofera informatii despre diferite organe, despre vasele sanguine si circulatia sangelui. Tehnicile Doppler ofera un mod de abordare neinvaziv pentru studiului hemodinamicii intr-un mare numar de tipuri de tesuturi. Combinatia dintre un ecograf si un vitezometru Doppler consta in integrarea in acelasi echipament a unui ecograf rapid si un detector de informatie Doppler pentru fiecare pixel al imaginii ecografice. În cardiologie, combinarea unui sistem Doppler cu un ecograf constituie un factor decisiv care a condus la un progres in explorarea neinvaziva a hemodinamicii inimii.

Aparate de diagnostic bazate pe Rezonanta magnetica nucleara Rezonanta magnetica nucleara este o metoda care permite obtinerea unor imagini de sectiuni multiplanare, deosebit de precise, prin corpul uman. Forma de interogare a materiei este campul magnetic.

Aparate de diagnostic bazate pe imagistica medicala constituie in prezent o categorie importanta, poate cea mai importanta. Starea patologica implica modificarea structurilor anatomice, astfel incat posibilitatea de a obtine imagini din interiorul organismului este foarte importanta pentru o diagnosticare precisa. Imaginile pot fi obtinute utilizand raze X, camp electromagnetic sau ultrasunete. Investigatiile bazate pe imagistica presupun interogarea tesuturilor si a organelor cu ajutorul unor fluxuri de energie, care, prin impactul cu materia investigata furnizeaza semnale diferite, in functie de natura tesutului, de adancime, de proprietatile fizice ale acestuia.

Metodele imagistice se pot clasifica in:

Invazive: angiografia, radiologia interventionala;

Nocivitate certa: radiologia digitizata-numerizata, metodele radioizotopice, computer tomografia;

Nocivitate incerta: rezonanta magnetica nucleara, ecografia;

Este foarte greu de realizat o clasificare a aparatelor pentru diagnostic. Acestea pot fi clasificate dupa marimea care este masurata, dupa forma de interogare a tesuturilor (raze X, camp magnetic, ultrasunete, etc.), dupa gradul de nocivitate, dupa forma de redare a informatiei. Indiferent de aspectele considerate, imagistica medicala include diferite tehnici si ofera cele mai concludente rezultate.

1.4. Imagistica medicala

Medical Imaging reprezinta orice metoda, respectiv orice procedura de investigare in care diagnosticul este bazat pe obtinerea si interpretarea imaginilor. În general, imagistica medicala include nu numai diagnosticul prin imagine, ci si microscopia, endoscopia, etc.

Imagistica medicala cuprinde toate metodele de obtinere a informatiei despre morfologia si functiile organelor si tesuturilor, cu ajutorul unor fluxuri de radiatii ce pot fi detectate, prelucrate, stocate printr-un sistem analog-digital si redate ulterior. Principalele metode de investigatie bazate pe imagistica sunt: ultrasonografia (ecografia, metoda Doppler), radiologia digitizata, computer tomografia, rezonanta magnetica nucleara, tomografia prin emisie monofotonica si biofotonica, scintigrafia cu anticorpi monoclonali si endoscopia virtuala.

Orice metoda devine imagistica atunci cand are:

sursa de energie;

un sistem de detectare;

un sistem de preluare-prelucrare analog-digital, stocare pe calculator sau microprocesor;

un sistem de redare digital-analog.

Radiologia digitizata permite obtinerea unei imagini radiologice asemanatoare celei clasice, dar cu o rezolutie mult crescuta. Radiologia digitizata se realizeaza prin adaugare-interpunere la receptorul clasic a unui sistem de conversie analog-digitala, care transforma informatia in date numerice. Acestea sunt transferate in memoria unui calculator unde sunt prelucrate in vederea cresterii valorii lor informative.

Computer tomografia este o metoda extrem de valoroasa datorita rezolutiei deosebite a imaginilor pe care le ofera. Ea permite obtinerea unor detalii anatomice si o evaluare a functiei si circulatiei. Din punct de vedere tehnic computer tomografia foloseste o sursa de radiatii X si un sistem detector, iar formarea imaginii presupune interventia unui procesor care preia datele, le inregistreaza, le analizeaza si apoi construieste imaginea.

Rezonanta magnetica nucleara este o metoda care permite obtinerea unor imagini de sectiune multiplanare, deosebit de precise si clare prin corpul uman. Principiul de formare a imaginii se realizeaza prin punerea in evidenta a protonilor mobili din organism. Acesti protoni se afla predominant in apa. Plasarea corpului intr-un camp magnetic artificial va determina alinierea campului magnetic al protonilor, paralel cu liniile campului magnetic extern.

Imaginea radiologica este elementul fundamental, purtator de informatii in imagistica medicala.

Computer tomografia reprezinta o metoda de imagistica in care, cu ajutorul unui fascicol colimat de raze X, se produce imaginea unei sectiuni plane din regiunea de interes. Pricipiul metodei se bazeaza pe:

masurarea atenuarii unui fascicol de raze X care strabat un corp si calculul coeficientului de absorbtie (densitatea);

reconstructia imaginii din imaginile plane.

Computer tomografia este deci o investigatie densitometrica, bazata pe desitatea anatomica a structurilor strabatute de fascicol. Cele mai avansate tehnici CT sunt HRCT, Spiral CT si multi slice. Tomografia de inalta rezolutie poate executa mai multe scanari intr-un interval de timp scazut, ceea ce se preteaza pentru investigarea aparatului cardio-vascular sau a pacientilor ne-cooperanti. Tomografia spirala permite o scanare continua in timpul deplasarii mesei. Formarea imaginii este un proces care are loc in mai multe etape:

Scanarea cu fascicolul de raze X colimat;

Reconstructia imaginii;

Conversia imaginii intr-o imagine vizibila (niveluri de gri).

Structurile tesuturilor normale sau patologice sunt mai mult sau mai putin contrastante ca numar atomic, densitate masica sau de protoni, impedanta pentru a furniza semnale neuniforme, vectoare de informatii diagnostice semnificative.

1.5. Aparatura pentru terapie

Aparatura pentru terapie poate fi cu curenti electrici, in camp electromagnetic si cu ultrasunete:

Aparatura pentru electroterapie reprezinta aparatele al caror principiu de functionare se bazeaza pe utilizarea curentului electric si a campului electromagnetic in scop terapeutic. Prin aplicarea, in conditii bine determinate, a curentului electric sau a unui camp electromagnetic diferitelor tesuturi se pot obtine efectele terapeutice dorite.

Aparatura cu raze X se bazeaza pe efectul radiatiilor X asupra celulelor vii, fiind folosita in terapia antitumorala si antiinflamatorie. Problema cu care se confrunta terapia cu raze X este delimitarea cat mai precisa a zonei iradiate, in vederea limitarii iradierii pacientului.

Aparatura cu ultrasunete se bazeaza pe actiunea terapeutica a ultrasunetelor, care consta in efecte mecanice si termice locale. Efectele mecanice constau in stimularea irigatiei sanguine, in cresterea oxigenarii tesuturilor, in aparitia unor reactii neuromusculare.

Aparatura laser Stimularea electrica functionala este o procedura utilizata in mod frecvent pentru restabilirea controlului asupra muschilor fara inervatie