Innovación en Ingeniería Biomédica

TENDENCIAS INNOVADORAS EN LA
FORMACIÓN DE INGENIEROS
CHILE – NOV – 2013
Innovación en
Ingeniería Biomédica
Prof. PhD. John Paul Hempel Lima
¿Qué tienen en común estas cosas?
Ciencia y Tecnología
¿Qué tienen en común estas cosas?
Construcción
Biomédica
Electrónica
Producción
Química
Agricola
Construcción
Aeroespaciale
Mecánica
Definicion de ingenieria
Ingenerare (lat.) – Crear o producir
Es la aplicación de la CIENCIA a la CONVERSIÓN óptima de los RECURSOS de la
naturaleza para el uso de la HUMANIDAD
coche
mineral de bauxita
Inginieria: principal medio de convertir la ciencia en
la tecnología
Cómo hacer frente a problemas complejos,
aportando soluciones innovadoras en poco tiempo?
Enfoque general - método
Presentar la solución
¿Qué debe hacer el
ingeniero!
comprobar los resultados
resolver el problema
Hipotetizar
seleccionar las teorías y principios
científicos
Obtener informaciones (y verificar su exactitud)
Reconocer entender y compender el problema
Método solamente no es suficiente!
Cómo hacer frente a problemas complejos,
aportando soluciones innovadoras en poco tiempo?
la educación tradicional no permite
este tipo de formación integral
“Analogous to learning how to drive, engineering is an active process, and
no amount of instruction can supplant experiential knowledge gained during
the design process.”
Allen, et al. Ann. Biom.Eng. (2013) 41:1869-1879
Otro gran problema: Multitasking
Los seres humanos
no son multitarea!
23% dos accidentes
Porque la enseñanza es?
Trata de resolver 10
cubos en fila
Portanto...
Lo que queremos?
Formar un ingeniero biomédico con las habilidades y
competencias necesarias para resolver los problemas y desafíos
Lo que veremos ahora?
¿Qué es la ingeniería
biomédica?
Cómo enseñarle todo lo
que necesita?
¿Qué es la ingeniería
biomédica?
¿Qué es la ingeniería biomédica?
Campo multidisciplinario que abarca los enfoques teóricos y
experimentales en favor de la mejora tecnológica de los sistemas
humanos y la salud
Envolve la investigación, desarrollo, implementación y operación
¿Qué es la
Profesor,
esingeniería
un campobiomédica?
muy limitado! (!?)
Ingeniero Biomédico
administración
Ingeniería
Medicina y
salud
Aplicar los principios eléctricos, mecánicos, químicos, ópticos, administrativos y otros
principios de ingeniería para actuar sobre el cuerpo humano
Las cinco temáticas
¿Qué un ingeniero
biomédico necesita saber?
Cinco temáticas
Biomecánica y
Rehabilitacion
Imagens
médicas
•prótesis, aparatos
ortopédicos,
biomateriales, órganos
artificiales
• R-X, CT,
Ultrasonido, FO
Inginiería
clínica
Electrónica
Médica
•Administración,
arquitectura hospitalar,
bioseguridad
• ECG, Laser,
Monitor,
desfibrilador
Informática
Médica
• simulación,
software, redes,
telemedicina,
DB
¿Cómo es eso posible en poco tiempo?
Imagens
médicas
Problem based Learning!!!
Problem Based
Learning
¿Cómo enseñarle todo lo
que necesita?
La educación es muy aburrida!
Metodología de educación PASIVA
Porque necesito
aprenderlo?
Problem based learning
Metodología de educación PASIVA
El alumno es el centro del
aprendizaje!
Aprendizaje basada en un
problema real
Metodología de educación ACTIVA
7 pasos
El problema es el centro de aprendizaje
1. Aclaración de
términos
difíciles
7. Reportar ao
grupo. Discutir.
2. Definición de los
problemas a ser
entendidos y
explicados
(cuestiones).
6. Estudiar
individualmente
5. Formular
objetivos de
aprendizaje.
una sesión de apertura
3. Examinar
cuestiones.
4. revisión
sistemática.
una sesión de clausura
Problem based learning
Organización semanal
Creación de lo grado – 5 años – 25 mód.
• Rayos-X
• Corriente continua
• Algoritmos computacionales
• Tomografia comp.
• Corriente alternada
• Inteligencia aplicada
• Ultrasonido e fibra optica
• Instrumentación
• Modelos computacionales
• Resonancia magnética
• Electrón. de pot. y embarcada
• Processamiento de imagens
• Medicina nuclear
• proyectos
• telemedicina
Imagens médicas
Electrónica Médica
Informática Médica
• Arquitectura hospitalar
• La ciencia de los materiales
• Mantenimiento y calidad
• Biomateriales
• Administ. hospitalar
• Rehabilitación
• Administ. de tecnologia
• Ortesis y protesis
• biossegurança
• equipos y aparatos de rehab.
Inginiería clínica
Biomecánica y
Rehabilitacion
Estructura modular
¿No somos multitarea!
Intensivo de seis semanas en un tema
Circuitos CC y
equipos
Modulo 2
La ciencia de
los materiales
Modulo 3
Modulo 5
evaluación
evaluación
Modulo 4
Algoritmos y
programación
Arquitectura
hospitalar
evaluación
Modulo 1
evaluación
Rayos-X
evaluación
Evaluación continua y tambíen puntual
Electrónica médica - ejemplo
lo que esperamos que nuestros
estudiantes aprendan?
• Corriente continua
• Corriente alternada
• Instrumentación
• Electrón. de pot. y embarcada
• proyectos
Electrónica Médica
12 Objetivos de aprendizaje
en el Primero año
Electrónica médica - ejemplo
12 Objetivos de aprendizaje
Corriente Contínua
1. Identificar, calcular y aplicar los principios de la electricidad (ley de Ohm, leyes
de Kirchhoff) en la resolución de circuitos de corriente continua.
2. Proyectar circuitos de accionamiento de LEDs
3. Identificar e interpretar el papel de las resistencias, condensadores, inductores,
diodos y LED en circuitos de corriente continua.
4. Especificación de un sistema de suministro de energía (batería) para un
dispositivo biomédico
5. Conocer el funcionamiento de los oxímetros de pulso y la función de los LEDs.
6. Conocer el funcionamiento básico de un ventilador pulmonar
7. Conocer el funcionamiento de un desfibrilador cardíaco
8. Comprender de los riesgos de la electricidad en el cuerpo humano
9. Conocer el papel de los sensores eléctricos y de instrumentación electrónica
10. Reconocer la importancia de las señales eléctricas y los sensores (LDR,
extensómetros resistivos, fotodiodos, termistores, etc.) para el observación del
cuerpo humano y sus funciones
11. Utilizar los instrumentos de medición que operan en la zona eléctrica como
multímetros, fuentes y osciloscopios
12. obtener la curva característica de un diodo
Habilidades e
competências
elaboración de los problemas
1
Problemas del primer módulo (DC)
Primero
Segundo
Tercero
Quarto
Quinto
Sexto
Tema
Incubadora infantil
Ventilador
pulmonar
Chuveiro elétrico
Desfibrilador
cardíaco
Oximetria de
pulso
Pressão arterial
Alguns
tópicos
Lei de Ohm; Leis de
Kirchhoff; resistência
elétrica, sensores de
temperatura
Baterias; fonte
de
alimentação;
potência;
carga;
Resistência do
corpo humano;
choque elétrico;
corrente de fuga
capacitores;
carga descarga
RC; ct tempo;
Energia
LEDs; fonte
de alim;
battery;
fotodiodos
strain gauge;
sensores;
resistividade;
Ponte wheatstone
X
X
X
X
X
2
3
X
X
X
4
X
X
X
X
X
5
X
6
X
7
X
8
X
9
X
X
10
X
X
11
12
X
X
Ejemplo de un problema – 1º año
Ejemplo de un problema – 1º año
Em viagem à Europa, um senhor de 50 anos passou mal durante o vôo, sentindo
dispnéia, sudorese fria e fortes dores no peito e no braço esquerdo e em seguida
parada respiratória e cardíaca. A tripulação solicitou a presença de um médico (dentre
os passageiros), que respondeu prontamente. Este, ao examinar o paciente, tentou
manobras de ressuscitação com massagem cardíaca e respiração boca a boca; como
não obteve sucesso, pediu o desfibrilador cardíaco para realizar uma desfibrilação
transtorácica. O único desfibrilador presente no momento era um antigo desfibrilador
de descarga capacitiva simples fora de uso (onda monofásica). O médico ficou em
dúvida se deveria usá-lo(receio de conseqüentes bloqueios AV), mas pela gravidade da
situação, decidiu aplicar esse procedimento. Como o peito do paciente estava suado,
o enxugou com um pano, verificou se havia algum metal e posicionou
corretamente os eletrodos de aplicação. Através de um seletor, selecionou o nível de
400 J (o máximo era de 400J). Posicionou as pás no tórax do paciente e esperou a luz
de prontidão se acender. Nesse instante, ponderou melhor e reduziu o nível de energia
para 360J. A luz de prontidão se apagou e após um tempo, acendeu novamente. Assim,
pressionou o botão de disparo, realizando a desfibrilação. Após o procedimento ficou
pensando porque o desfibrilador demorava um tempo maior para carregar do que para
descarregar e ainda, qual corrente o paciente deve ter recebido.
Segundo o fabricante do aparelho. a tensão máxima entre as placas é de 5 kV, a
resistência do paciente considerada é de 50 Ohms. Se o capacitor interno apresentasse
defeito, qual capacitor deveria ser usado para substituí-lo? Se o usuário altera a energia
máxima, o que se altera no circuito?
Ejemplo de un problema – 1º año
Tensão no capacitor (kV)
6
5
4
Carga
3
Descarga
2
1
-
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Tempo (s)
S1
R2
1kΩ
Paciente
50 Ω
V1
5kV
Capacitor
0.12
0.14
Ejemplo de un problema – 1º año
Objetivos de aprendizaje
• Conocer el desfibrilador cardíaco externo
• Entender el funcionamiento de un condensador y su papel como el
almacenamiento de energía
• Entender el proceso de desfibrilación cardiaca
• Calcular el valor del condensador en el circuito
• Analizar el comportamiento transitorio del circuito RC
• Determinar la energía almacenada en un condensador
Cuestiones que se espera
1. ¿Cómo funciona un desfibrilador?
2. ¿Cuáles son los tipos de desfibriladores cardiacos y por qué no
utilizan la descarga capacitiva simple.
2. Que capacitor debe utilizarse para reemplazarlo?
3. Si el usuario cambia la energía máxima, lo que altera el circuito?
4. ¿Qué paciente actual debería haber recibido.
Ejemplo de un problema – 2º año
Investigación - estudiantes
La mayoría de las investigaciones se realizan por estudiantes de biomédica
120%
100%
PBL??
80%
Construcción*
Biomédica
Manufactura
Eléctrica
60%
40%
20%
0%
2009
2010
2011
2012
2013
Conclusiones
PBL
Cómo enseñarle todo lo que necesita!
Ventajas
Desventajas
Motivador y desafiador
trabajo en equipo
estudiantes acostumbrados a la
enseñanza tradicional
Estudiante crítico
visión de conjunto
És fundamental la dedicación
de los profesores
Problemas complejos y
realistas
ajustar la calidad del problema
autoaprendizaje
Muchas gracias!
Prof. Dr. John Paul Lima
Professor do grado de Inginieria Biomédica
Coordenador do grado de Inginieria Eléctrica
[email protected]