Ingeniería Biomédica

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A lowpower recording system for intracortical signal acquisition based on design specification relaxation and lower bandwidth filtering
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-19) Vitón Zorrilla, Luighi Anthony; Saldaña Pumarica, Julio César
In this thesis, we designed and evaluated a circuit model at the transistor level of a low-resolution and low bandwidth ADC (analog-to-digital converter) with level-crossing architecture (LCADC), used as part of the acquisition chain of a BCI (brain-to-computer interface) device. The aim is to obtain minimal specifications that could return adequate levels of accuracy at spike detection and reduce power dissipation. In addition, we included a NEO preprocessor in the test to help in the detection accuracy. To achieve the objectives proposed, we started developing a software model for the preprocessor and the ADCs to evaluate the different variations of resolution, bandwidth, noise level, and NEO window. After finding the desired minimum values, we continued with the hardware development of the ADC. We designed the level crossing architecture and a conventional SAR to have a reference against which we compare the LCADC performance. After that, we developed a NEO circuit and applied synthesized neural recordings to evaluate power consumption with the ADC. Additionally, we designed a conventional analog frontend to estimate the power for the band of interest. Also, we estimated the dissipation for wireless transmission by calculating the approximated data stream expected in the level-crossing sampling scheme. Summing them, we obtained the power consumption of the complete acquisition chain. In conclusion, although reducing the intrinsic power of the LCADC is challenging, the scheme helps reduce the total power consumption of the acquisition chain with adequate accuracy, making it competitive against currently reported BCI devices.
Desarrollo de un biosensor basado en un transistor efecto de campo utilizando el nanomaterial bidimensional MXeno Ti3C2Tx para la detección de la dopamina
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-09) Urbina Pinto, Edwin Well; Grieseler, Rolf
La presente investigación se enfoca en el diseño, fabricación y caracterización de un biosensor basado en un transistor de efecto de campo (FET, por sus siglas en inglés), cuyo canal es el nanomaterial bidimensional MXeno Ti3C2Tx, para la detección de dopamina. La dopamina es un neurotransmisor crucial en distintas funciones neurológicas. El trastorno de este neurotransmisor ha generado interés debido a su asociación con las enfermedades de Parkinson, Alzheimer, esquizofrenia. Los biosensores a base de nanomateriales han surgido como una alternativa prometedora para la detección de dopamina debido a su alta sensibilidad, selectividad y capacidad de respuesta en tiempo real. Para este estudio se sigue un conjunto de metodologías que incluye la fabricación del nanomaterial MXeno Ti3C2Tx, su caracterización eléctrica, así como su caracterización mediante espectroscopia Raman, espectroscopía de energía dispersiva de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Además, se realizó la caracterización eléctrica del biosensor FET con canal MXeno Ti3C2Tx. Los resultados obtenidos en esta investigación muestran que la longitud del nanomaterial bidimensional MXeno Ti3C2Tx son “excepcionalmente grandes” en comparación con lo reportado en la literatura, lo que evidencia una contribución significativa en el campo de nanomateriales 2D. Otro resultado prometedor, aun no documentado en la literatura existente, es que la conductancia del nanomaterial MXeno Ti3C2Tx es mayor a la de la fase MAX Ti3AlC2 (material 3D, precursor del MXeno). Por otra parte, el biosensor FET con canal MXeno Ti3C2Tx logra detectar eficazmente concentraciones de dopamina en un rango de 10 µM a 40 µM, alcanzando así con éxito el objetivo de la presente tesis. En conclusión, esta investigación no solo presenta una contribución significativa en el campo de los nanomateriales 2D, sino que también demuestra que la conductancia del MXeno Ti3C2Tx es superior a la de su precursor, la fase MAX Ti3AlC2, mejorando la sensibilidad del biosensor. Contribuyendo así en la eficacia de los biosensores FET de dopamina. Finalmente, se plantean propuestas para las futuras investigaciones que puedan contribuir al desarrollo de este biosensor.
Diseño de prototipo estimulador magnético no invasivo de pulsado uniforme y prueba funcional con fantoma orientado a rápida cicatrización ósea
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-08-31) Suárez Sánchez, Gonzalo; Vilcahuamán Cajacuri, Luis Alberto
El objeto de estudio de la presente tesis es el desarrollo de un prototipo de equipo biomédico terapéutico de regeneración de tejido óseo, el cual genera un campo magnético pulsado en tres dimensiones de extrema baja frecuencia. El prototipo es de naturaleza no invasiva y está conformado por un circuito electrónico generador de pulso, que será amplificado por una fuente de potencia de 1500 W. El pulso eléctrico de potencia alimentará a 3 pares de bobinas de Helmholtz en disposición triaxial. Estas bobinas producirán un campo magnético uniforme cruzado sobre un volumen definido que interaccionará con la fractura para conseguir la regeneración de tejido óseo. El aporte y la innovación del equipo radica en que produce un campo magnético uniforme cruzado en tres dimensiones, mejorando la terapia considerablemente ya que el campo magnético se distribuirá e interaccionará en todo el volumen del hueso fracturado. Para la construcción, primero se revisó la bibliografía y se estudiaron las diferentes disposiciones de cómo se genera el campo magnético, la forma del pulso, la frecuencia y las normas que regulan el uso de la magnetoterapia. En segunda instancia se desarrolló el modelo matemático del comportamiento del campo magnético, se encontraron las ecuaciones que rigen el campo magnético en las bobinas de Helmholtz, y a partir de dicha ecuación se determinó el error de la homogeneidad del campo magnético. Luego se simuló el comportamiento del campo magnético en todo el volumen que separa a las dos bobinas de Helmholtz, es decir la parte donde el paciente recibirá el campo magnético como terapia. Como parte de este trabajo de investigación se construyeron los tres pares de las bobinas de Helmholtz, previamente se hizo un estudio y simulación de la disposición triaxial de las bobinas con el software Solid Work. Teniendo el tamaño de las bobinas se procedió a determinar el ancho y espesor del carril para tener finalmente los planos de construcción. Tres masas de aluminio se llevaron al horno de fundición, luego se tornearon de acuerdo a los planos. A partir del radio de las bobinas se determinó el número de vueltas de cable eléctrico esmaltado para cada bobina. El modulador de ancho de pulso PWM con un rango de ajuste de frecuencia de 1 Hz a 100 kHz y la fuente eléctrica conmutada (switching) de 1500 W de potencia, se conectaron a un transistor de potencia para amplificar la potencia del pulso. Con el campo magnético estacionario se estudió la homogeneidad del campo en cada bobina de Helmholtz, conocida la homogeneidad del campo magnético en los tres pares de las bobinas se realizaron estudios en disposición triaxial de la homogeneidad del campo magnético sobre la cabeza de un fémur, de un fantoma de acrílico relleno con agua y en el plastinado de una pierna con la finalidad de estudiar el comportamiento del campo sobre un tejido humano y con las características de éste. Finalmente procesamos los datos con el software Matlab para evaluar la homogeneidad del campo magnético. Este trabajo de tesis fue apoyado en su inicio por el Programa de Apoyo a la Iniciación en la Investigación (PAIN) de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP), y para su culminación por el programa Yachayninchis Wiñarinanpaq, en el marco del convenio específico de cooperación interinstitucional entre el Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica (CONCYTEC) y la Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco (UNSAAC).
Diseño de un sistema inalámbrico de detección de caídas aplicado a personas de la tercera edad basado en acelerómetro y teléfono móvil
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-04-28) Oporto Diaz, Edgard; Vilcahuamán Cajacuri, Luis Alberto
Un grave problema en los adultos mayores son los efectos adversos luego de caídas no atendidas inmediatamente. Según estadísticas, las caídas son uno de los principales factores que ocasionan severos daños físicos, psicológicos y sociales, e incluso provocan la muerte, en las personas de la tercera edad. Este problema es particularmente importante dado el incremento porcentual de ancianos en la población mundial, así como por la situación de vulnerabilidad y abandono en la que se suelen encontrar dentro de nuestra agitada sociedad. La solución propuesta reduce los efectos negativos de las caídas en ancianos mediante un sistema portátil, no invasivo y de bajo costo, usando dispositivos electrónicos comerciales disponibles en el mercado. Este sistema, adecuadamente sujeto a la persona, detecta la caída y genera una alerta hacia un teléfono móvil. De esta manera, la persona que reciba la alerta logra enterarse del evento y puede tomar acción inmediata para lograr la pronta atención del anciano. El tema de tesis contempla no solo el diseño e implementación integral del sistema, sino también la realización de pruebas funcionales para determinar la eficacia del sistema. Las pruebas son limitadas, o bajo condiciones controladas, dado el tipo de pacientes involucrados. El desarrollo del sistema incorpora el uso de dispositivos y tecnologías muy actuales, tales como sensores de aceleración de tipo microelectromecánico (MEMS), microcontroladores de uso industrial del fabricante ATMEL con interfaces seriales síncronas y asíncronas, módulos Bluetooth para la comunicación inalámbrica del microcontrolador y la generación de alarmas y envío de alertas por la red GSM de telefonía móvil usando mensajes cortos de texto (SMS).
Diseño de una guía para análisis situacional y planteamiento de soluciones en seguridad biológica ambiental para ambientes de salud
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-04-10) Juárez Belaunde, Alberto Carlos; Vilcahuamán Cajacuri, Luis Alberto
En el Perú no existe regulación sobre Bioseguridad Medioambiental en edificaciones ligadas al sector salud. La existencia de un sistema de evaluación de Bioseguridad Medioambiental para este tipo de edificaciones generaría información útil para mejorar los criterios en los que se basen los métodos para el diseño, edificación y mantenimiento de una institución de salud. En el Perú existen establecimientos ligados al sector salud que fueron diseñados para otros fines y no cumplen con las recomendaciones internacionales en bioseguridad medioambiental. Esto aumenta la probabilidad de que exista contaminación de usuarios, trabajadores, muestras biológicas y equipos, pudiendo generarse errores de determinación de casos clínicos, contaminaciones cruzadas, epidemias; pudiendo presentarse un accidente, el cual se origina por la conjunción de tres factores: la condición medioambiental insegura, la actitud insegura y el riesgo. Un Programa de Manejo de Bioseguridad medioambiental requiere de un constante intercambio de información entre todas las áreas de la institución de salud, para así evitar accidentes Se propone una guía como herramienta de valoración de calidad de la bioseguridad medioambiental de un ambiente ligado al sector salud, basada en manuales y normas internacionales vigentes al momento de la redacción. La guía es de fácil entendimiento, teniendo como parámetros básicos valederos para la evaluación de la bioseguridad medioambiental: la temperatura, humedad, presión ambiental, suministro eléctrico, material particulado y valores máximos de sonido en el área, y encuestas de conocimiento sobre bioseguridad y seguridad del personal que labora en el área. As se brinda un listado de verificación y encuestas base, que promueve el ordenamiento y gráfico de datos colectados en hojas de cálculo, pudiendo con la guía proponer soluciones a posibles problemas detectados durante un análisis.
Diseño e implementación de una plataforma de microtitulación elástica que genera esfuerzos cortantes y elongaciones homogéneas para cultivo de células bidimensionales
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-09) Suarez Uribe, Etsel Lemy; Casado Peña, Fanny Lys
Las variables bioquímicas y las modulaciones mecánicas influyen en el comportamiento celular. A la actualidad, los sistemas de microtitulación comerciales no ejercen modulaciones mecánicas homogéneas en regiones de cultivo celular independientes (superficies de pocillos). Esta homogeneidad es necesaria para estudiar con mayor precisión la respuesta biológica de las células a estas modulaciones y para ello, se requiere la mayor población celular bajo las mismas condiciones mecánicas. Por lo que en este proyecto de tesis, se presenta una plataforma de microtitulación que genera campos de elongaciones y esfuerzos cortantes homogéneos en las regiones de interés para cultivo celular, esto con el fin de obtener poca variabilidad de las magnitudes de estímulos mecánicos en una misma región de cultivo. Para lo cual, para el diseño de la plataforma se usaron las dimensiones estándares de sistemas de microtitulación comerciales y, con el objetivo de desarrollar campos mecánicos homogéneos, se empleó un software de cálculo por elementos finitos y herramientas de optimización topológica. Con la optimización realizada se obtuvo un incremento a aproximadamente 250 % en área de región de cultivo celular con esfuerzos cortantes homogéneos y un aumento al 177 % del área de cultivo bajo elongaciones homogéneas con respecto a sistemas de microtitulación con dimensiones comerciales. Se analizaron dos materiales: RTV1500 y Sylgard 184; y para la manufactura del diseño propuesto se empleó fabricación digital aditiva tradicional y fabricación con tecnología Polyjet. Los principios de accionamiento para lograr las elongaciones y esfuerzos cortantes se basaron en el accionamiento neumático y la minifluídica, respectivamente. Finalmente se verificó la capacidad del sistema de ser estéril y se validó funcionalmente, mediante el análisis de viabilidad de una línea celular comercial.
Diseño y evaluación térmica de un dispositivo de fototerapia para el tratamiento de la ictericia neonatal en el método madre canguro
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-05-24) Jiménez Troncoso, Luis; Vilcahuamán Cajacuri, Luis Alberto
Con los dispositivos convencionales de fototerapia para resolver la ictericia neonatal se interfiere el vínculo madre-neonato pues se tiene que separar la madre del neonato para que éste reciba la fototerapia; mediante el dispositivo desarrollado en esta tesis, se facilita la aplicación simultánea de fototerapia y el cuidado según el método madre canguro. Se ha construido una matriz luminosa flexible de LEDs azules, de 25x10 centímetros, 60 gramos de peso, capaz de iluminar con luz azul la espalda y nuca de recién nacidos. Para estimar la transferencia de calor de la matriz a un recién nacido y asegurar que la temperatura en el área de contacto es segura para su uso, se han desarrollado dos maniquíes termo-regulados, uno es de un neonato pre-término tardío de 2.35 Kg, hecho de silicona con un compartimiento de 650 ml de agua y el otro es de la parte anterior de un torso femenino de 10 Kg, con piel de silicona y compartimientos con 7 litros de agua; ambos tienen calefacción interna con control automático de temperatura electrónico. Los maniquíes se han colocado en posición del método madre canguro, sujetados uno al otro por una faja elástica haciendo contacto "piel a piel". Se sujetó la matriz luminosa a la espalda del maniquí neonatal con bandas elásticas. La irradiancia de la matriz luminosa, medida con un radiómetro ILT1400A es de 350 microWatt/cm2 consumiendo 0.98 Watt de una batería de 12 voltios. La matriz transfiere 0.395 Watt al maniquí de neonato y las temperaturas locales en los puntos de contacto con la espalda no superan los 2.75 oC por encima de la temperatura axilar del maniquí. Por lo tanto, la baja potencia transferida por la matriz de fototerapia y el incremento de temperatura en la superficie de contacto supera en menos de 4 oC a la temperatura corporal sugieren que podría utilizarse como dispositivo investigacional para un estudio posterior de efectividad. Palabras clave: Ictericia neonatal, fototerapia, método madre canguro, dispositivo médico, transferencia de calor, seguridad de la madre-neonato.
Implementación de un protocolo para la obtención de chips de tejido óseo esponjoso desmineralizado en el banco de tejidos del Hospital Luis Vernaza
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-11-25) Jaramillo Cañas, Winston Eduardo; Casado Peña, Fanny Lys
El objetivo principal de este estudio fue diseñar un proceso para elaborar tejido óseo desmineralizado en forma de chip para el Banco de Tejidos del Hospital Luis Vernaza (Guayaquil, Ecuador) con un porcentaje de calcio residual por debajo del 8%. La optimización de factores fue realizada usando la metodología de respuesta de superficie (RSM) mediante un diseño central compuesto (DCC) usando el software Design Expert 12. Se evaluó la influencia de las concentraciones de peróxido de hidrógeno y alcohol iso-propílico en la reducción de lípidos. Una vez obtenido un producto con una cantidad de lípidos mínima (menor a 4 %) se procedió con la desmineralización sometiendo el tejido esponjoso con ácido clorhídrico al 0.5 N. Se evaluó la influencia de la temperatura y el tiempo en la desmineralización de tejido óseo. Se realizaron once corridas experimentales por grupo de factores a evaluar y tres corridas para evaluación de resultados de optimización. Las variables usadas en el estudio fueron la concentración de peróxido de hidrógeno entre 10 y 25 %, concentración de alcohol iso-propílico entre 50 y 90 %, temperatura en la que ocurre la reacción entre 25 y 60 ºC y el tiempo que dura la reacción entre 30 y 120 minutos. Además, para lograr estudiar la reacción de desmineralizado de forma controlada y reproducible, se fabricó un reactor de flujo utilizando tecnología de prototipado rápido. Los resultados de optimización en el reactor de flujo mostraron que la combinación de peróxido de hidrógeno 12% y alcohol iso-propílico 80% a una temperatura controlada de 45ºC por un tiempo de 120 minutos logra un porcentaje de lípidos totales del 4 % y un producto con una concentración de calcio residual por debajo del 8%. Las condiciones establecidas pueden implementarse como un proceso de manufactura viable y eficiente para producir en mediana escala chips de matriz ósea desmineralizada proveniente de tejido óseo esponjoso para su uso como aloinjerto.
Optimización y evaluación de una plataforma elástica de microtitulación para aplicaciones en estudios toxicológicos con células adherentes
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-03-26) Calderón Castillo, Heillen Melisa; Casado Peña, Fanny Lys
Se investigó la viabilidad de emplear una plataforma de microtitulación elástica elaborada en polidimetilsiloxano (PDMS) para su uso en estudios toxicológicos. Primero, se evaluó la compatibilidad del diseño propuesto en la solicitud de patente ”Sistema de cultivo celular con componentes que generan excitaciones mecánicasïmplementado en una silicona biocompatible, donde se encontraron varios puntos de mejora que fueron trabajados en aras de poder utilizarla en métodos estandarizados para ensayos farmacológicos o toxicológicos. En la segunda parte de la investigación, se desarrollaron métodos para mejorar la hidrofilicidad de la superficie de PDMS, para ello se utilizó la modificación a través de la mezcla pre-polimerización con surfactantes y el recubrimiento con proteínas como colágeno y albúmina de suero bovino. A través de la medición del ángulo de contacto de agua, se estimó el incremento de hidrofilicidad, donde la mezcla con surfactantes no logró una diferencia significativa en el ángulo de contacto del material nativo de PDMS (113.98° ± 0.70°); a diferencia del recubrimiento proteico con albúmina al 1 % que logró un ángulo de 56.08° ± 0.74° igualando al control de poliestireno (54.14° ± 2.24°). Luego de establecer los protocolos de mejora de la plataforma elástica, se procedió a su evaluación biológica empleando la línea celular HeLa a través de los criterios de viabilidad, morfología y proliferación. La evaluación de la vialidad celular, por 72 horas mostró que el recubrimiento con colágeno (97.68 % ± 1.42 %) logró igualar al crecimiento logrado en la placa comercial de poliestireno con 98.98 % ± 1.15 % y superar las viabilidades en los otros recubrimientos con albúmina. Si bien, el recubrimiento con colágeno tuvo resultados comparables al control de poliestireno en términos de viabilidad, las diferencias morfológicas fueron evidentes, desde la extensión de cada célula, hasta la formación de la monocapa del cultivo. Se concluye que no basta mejorar propiedades del material, como la hidrofilicidad, sino que se debe explorar la interacción entre célula - sustrato desde un acercamiento bioquímico, ya que, como se ha demostrado, estas interacciones tienen un gran impacto en el desarrollo celular y en aplicaciones que involucran células adherentes.