Revista Ingeniería Biomédica

CONSTRUCCIÓN DE MATRICES COMO SUSTITUTOS DÉRMICOS: APLICACIÓN POTENCIAL EN LA REGENERACIÓN DE PIEL

La pérdida de grandes porciones de piel limita su capacidad de regeneración, haciendo difícil su tratamiento. Mediante la ingeniería de tejidos se han desarrollado sustitutos dérmicos que promueven la regeneración; sin embargo, es necesario hallar un material para el crecimiento de fibroblastos que sea un sustituto dérmico adecuado. En este trabajo se construyeron matrices tridimensionales porosas de colágeno y colágeno-ácido hialurónico evaluando su potencial como sustituto dérmico. Las matrices se entrecruzaron con 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida hidrocloruro. Se evaluó la porosidad, se realizaron pruebas de degradación, evaluación de adherencia celular con fibroblastos humanos y, ensayos de viabilidad y proliferación. Las matrices presentaron poros de 50 µm de diámetro uniformemente distribuidos. Las matrices de colágeno y colágeno-ácido hialurónico (2:8 y 4:6) presentaron una degradación progresiva con pesos similares. Luego de 24 horas en cultivo, los resultados de la prueba de MTT mostraron que los fibroblastos en colágeno proliferaron; mientras que los fibroblastos en colágeno-ácido hialurónico no evidenciaron proliferación. Aunque la estructura porosa y la tasa de degradación de las matrices son similares, las de colágeno brindan mejores condiciones de adhesión y proliferación a los fibroblastos cultivados en comparación con las que tienen ácido hialurónico como adición, convirtiéndose en el mejor andamio para ser empleado como sustituto dérmico entre las matrices evaluadas.

Wounds can cause loss of skin that limits the skin regeneration, making the treatment more difficult to address. The tissue engineering has developed skin substitutes that promote skin regeneration; however, it is imperative to find materials that allow fibroblast growth in order to find an appropriate skin substitute. The construction of tridimensional porous collagen and collagenhyaluronic acid matrixes crosslinked with 1-ethyl-3-(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide hydrochloride is presented in order to evaluate their potential use in skin regeneration therapies. Matrix porosity was evaluated. Degradation tests, human fibroblast adherence, viability and proliferation tests were performed. Matrixes had a uniform distributed porosity with mean diameters of 50 µm. Both collagen and collagen-hyaluronic acid (2:8 and 4:6) matrixes presented a progressive degradation rate with similar weight. After 24 hours under culture, the number of fibroblasts seeded on collagen matrixes were doubled, while the number of fibroblast seeded on collagen-hyaluronic acid matrixes remained similar. Even though porous structure and degradation rate of different types of constructed matrixes in this study are similar, collagen matrixes offer better adhesion and proliferation conditions for seeded fibroblasts in comparison with hyaluronic acid added matrixes, making them the best scaffold to be employed as a dermic substitute among the matrixes compared here.

TRADUCCIÓN AUTOMÁTICA DEL LENGUAJE DACTILOLÓGICO DE SORDOS Y SORDOMUDOS MEDIANTE SISTEMAS ADAPTATIVOS

Una de las principales limitaciones que presentan las personas con discapacidad auditiva está directamente relacionada con su dificultad para interactuar con otras personas, ya sea de forma verbal o a través de sistemas auxiliares basados en la voz y el audio. En este artículo se presenta el desarrollo de un sistema integrado de hardware y software, para el reconocimiento automático del lenguaje dactilológico de señas utilizado por personas con este tipo de discapacidad. El hardware está compuesto por un sistema inalámbrico adherido a un guante, el cual posee un conjunto de sensores que capturan una serie de señales generadas por los movimientos gestuales de la mano, y un modelo por adaptación basado en los principios de la computación neuronal, el cual permite su reconocimiento en términos de un lenguaje dactilológico en particular. Los resultados arrojados por el sistema integrado mostraron gran efectividad en el reconocimiento de las vocales que conforman el lenguaje dactilológico en español, esto gracias a la capacidad que posee el modelo de asociar un conjunto de señales de entrada, con un movimiento dactilológico en particular.

One of the main limitations of the people with hearing impairment is directly related to their difficulty interacting with others, either verbally or through auxiliary systems based on voice and audio. This paper presents the development of an integrated system of hardware and software for automatic fingerspelling sign language used by people with this type of disability. The hardware system comprises a glove which has a set of wireless sensors that capture a series of signals generated by the hand gestures, and a adaptive model based on the principles of neural computation, that allows recognition of a particular dactilologic language. Results from the integrated system showed great effectiveness in recognizing vowels from the dactilologic Spanish language. This recognition was influenced by the dimensionality reduction made by the neural model of the input signals representing movements, and the sensitivity factor that sets the limit between recognition and learning.

MODELO PARAMÉTRICO DE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR CARDIACA ESTIMADO A PARTIR DE REGISTROS ELECTROCARDIOGRÁFICOS ESTÁNDARES

El presente trabajo tiene como objetivo principal relacionar la actividad eléctrica cardiaca celular con la actividad eléctrica cardiaca medida en una sola derivación del electrocardiograma (ECG), mediante un modelo paramétrico de potencial de acción (PA) celular, lo cual se llevó a cabo relacionando dinámicas conocidas, matemáticamente modelables, que existen a nivel de una célula cardiaca, a dinámicas que pueden ser encontradas en un registro ECG estándar. La principal dinámica celular a relacionar con el ECG es la conocida como curva de restitución celular en tres dimensiones, la cual relaciona la duración del potencial de acción celular (APD) con el intervalo diastólico que lo precede y con el mismo APD pero del ciclo cardiaco precedente. Curvas de restitución similares se encontraron en señales ECG registradas durante el test isométrico handgrip, relacionando el intervalo QT con el intervalo TQ que lo precede y con el intervalo QT del ciclo cardiaco precedente. Siguiendo esta similitud, un modelo paramétrico de curva de restitución, extraído de un modelo de PA a tres corrientes iónicas, es ajustado a la curva de restitución del ECG con el fin de estimar los parámetros del modelo de PA. Este modelo es finalmente simulado estimulándolo con un tren de impulsos de frecuencia igual a la frecuencia cardiaca del sujeto experimentado. Los resultados muestran que la curva de restitución obtenida experimentalmente a partir del ECG es similar a la obtenida a partir de la simulación del modelo de PA. Más aún, el APD simulado del modelo sigue de forma satisfactoria la variación en el tiempo del intervalo QT del sujeto experimentado. Esto abre nuevas perspectivas en el análisis de la actividad celular a partir de registros ECG estándar.

The main purpose of this paper is to relate cellular cardiac electrical activity with the cardiac electrical activity measured in only one electrocardiogram (ECG) lead, through a cellular action potential (AP) parametrical model. This is performed by relating known dynamics, which can be mathematically modeled, existing at a cardiac cell level, to dynamics which can be obtained from a standard ECG recording. The main cellular dynamic used for relating with the ECG is the one known as three dimensional cellular restitution curve, which relates the action potential duration (APD) with its preceding diastolic interval and with the APD of the preceding cardiac cycle. Similar restitution curves were found in ECG signals recorded under the isometric handgrip test by relating the QT interval with its preceding TQ interval and with the QT interval of the preceding cardiac cycle. Following this similarity, a parametrical restitution curve, derived from a three ionic current cellular AP model was fitted to the ECG restitution relation for AP model parameter estimation. This model is finally simulated by stimulating it with an impulse train of frequency similar to the heart rate of the tested subject. The results show that the restitution curve experimentally obtained from the ECG is similar to the one obtained from de AP model simulation. Moreover the simulated APD follows satisfactorily the QT interval time variation of the tested subject. This opens new perspectives for the analysis of cellular cardiac electrical activity from standard ECG recordings.

MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN ROBOT PARA CIRUGÍA ENDOSCÓPICA TRANSLUMINAL

El uso de dispositivos médicos en el hogar, originalmente diseñados para uso hospitalario, ha aumentado. Su uso es complejo e inseguro debido a la inexperiencia del usuario y el entorno no controlado. El objetivo de este estudio es evaluar la seguridad en el uso de este tipo de dispositivos a través de la creación de un modelo conceptual que identifica los riesgos que podrían surgir para un grupo de usuarios inexpertos que los operan. A través de un estudio de usabilidad y siguiendo la metodología Grounded Theory se identificaron problemas y errores que emergen a través del uso en el hogar de dos dispositivos médicos distintos con la finalidad de crear un modelo conceptual. El modelo conceptual obtenido es representado en una herramienta de evaluación, que permite a los interesados identificar el dispositivo médico más apropiado para un usuario específico, detectando las debilidades que pueden llevar a un uso inseguro. La herramienta creada efectivamente permite detectar las características de riesgo, considerando cada situación particular de uso.

The use of medical devices in the home environment, originally designed for hospital use has increased. Its use is complex and uncertain because of the inexperience of the lay user and the uncontrolled environment. The objective of this study is to evaluate the safety in the use of these devices through the creation of a conceptual model that identifies the risks that could arise for a group of lay users who operate them. Through a usability study and following the Grounded Theory methodology problems and errors were identified emerging through the home use of two different medical devices in order to create a conceptual model. The conceptual model obtained is reified as an evaluation tool that allows stakeholders to identify the most suitable medical device for a specific user, detecting the weaknesses that may lead to an unsafe use. The evaluation tool created effectively allows detecting risky characteristics, considering the particular situation of use.

DESARROLLO DE UN SOFTWARE EN MATLAB PARA LA SIMULACIÓN DE CAMPO ULTRASÓNICO

The study of the acoustic field generated by an ultrasonic transducer is fundamental to its construction and characterization, because it defines how it will behave before being built. It also defines whether it is feasible or not, for the application to which it was designed. It can also lead to modifications to the project so it behaves as expected. In this work, a software was implemented in MATLAB®, for computational simulation of acoustic fields generated by ultrasonic transducers of different configurations. Two models were used, Zemanek and Stepanishen. Transducers with focus and apodization and transmission medium with attenuation may also be simulated. For the simulation of Zemanek's model, the mathematical method of discretization was used. The Stepanishen's model used an analytical solution for the impulse response. The developed programs were aggregated into a computer package, named FSIM, and a graphic interface was created. The user can choose among some of the transducer configurations and simulation parameters already implemented. FSIM has a modular architecture and allows further simulation modules to be added. The simulations were validated comparing results to those previously published in classical papers from Zemanek, and from Lockwood and Willete, in addition to prior results from research studies conducted at the Biomedical Engineering Department of the School of Electrical and Computing Engineering at the Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).

El estudio del campo acústico generado por un transductor ultrasónico es fundamental para su construcción y caracterización, ya que define cómo se comportará antes de ser construido. También define si realmente es factible para la aplicación a la que fue diseñado, y también puede sugerir modificaciones al proyecto, para que se comporte como se espera. En este trabajo un software fue implementado en MATLAB®, para la simulación computacional de los campos acústicos generados por los transductores ultrasónicos de diferentes configuraciones. Dos modelos fueran usados, Zemanek y Stepanishen. Transductores con el enfoque y apodización y medios con atenuación también pueden ser simulados. Para la simulación del modelo de Zemanek, se utilizó el método matemático de discretización y para el modelo de Stepanishen, se empleó una solución analítica para la respuesta impulsiva. Los programas desarrollados fueron agregados en un paquete computacional, llamado FSIM, y una interfaz gráfica fue creada. El usuario puede elegir entre algunas configuraciones del transductor y parámetros de simulación ya implementados; FSIM tiene una arquitectura modular y permite que otros módulos de simulación sean añadidos. Las simulaciones fueron validadas comparando resultados obtenidos previamente por otros trabajos de investigación del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la UNICAMP y por los artículos clásicos de Zemanek y Lockwood y Willette.

IN VIVO SWINE KIDNEY VISCOELASTICITY DURING ACUTE GRADUAL DECREASE IN RENAL BLOOD FLOW: PILOT STUDY

Elasticity imaging methods have been used to study kidney mechanical properties and have demonstrated that the kidney elastic modulus increases with disease state. However, studies in swine suggest that kidney elastic modulus is also affected by hemodynamic variables. A newly emerging method called Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry (SDUV) offers a tool to determine renal elasticity and viscosity in vivo. The purpose of this study was directed toward evaluating the feasibility of SDUV for in vivo measurements of healthy swine kidney during acute gradual decease of renal blood flow. In this study in vivo SDUV measurements were made on a group of 5 normal swine kidneys at baseline renal blood flow (RBF) and 25, 50, 75 and 100% decrease in RBF. The shear elastic modulus at full baseline was 7.04 ± 0.92 kPa and 3.48 ± 0.20 kPa at 100% decrease in RBF. The viscosity did not change between baseline (2.23 ± 0.33 Pa•s) and 100% decrease in RBF (2.03 ± 0.32 Pa•s). The data from this study indicates that other variables such as local blood flow, pressure and volume as well as method accuracy need to be measured to illustrate the relationship between shear elasticity and viscosity associated with acute kidney processes.

Métodos de imágenes de elasticidad se han utilizado para estudiar las propiedades mecánicas renales y han demostrado que el módulo elástico de los riñones del aumenta con el estado de enfermedades renales. Sin embargo, estudios en cerdos sugieren que el riñón módulo elástico también se ve afectada por las variables hemodinámicas. Un método emergente llamado Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry (SDUV) ofrece una herramienta para determinar la elasticidad y la viscosidad renal. El propósito de este estudio se dirige a la evaluación de la viabilidad de SDUV para mediciones las propiedades viscoelasticas del riñón saludable durante variación aguda del flujo sanguíneo renal. En este estudio el método SDUV se realizó en un grupo de 5 riñones porcinos normales al inicio del flujo sanguíneo renal (RBF) basal y 25, 50, 75 y 100% de disminución en el RBF. El módulo elástico basal fue de 7,04 ± 0,92 kPa y 3,48 ± 0,20 kPa a 100% de disminución del RBF. La viscosidad no cambió entre el momento basal (2,23 ± 0,33 Pa • s) y el 100% de disminución del RBF (2,03 ± 0,32 Pa • s). Los datos de este estudio indican que variables tales como el flujo local de sangre, la presión y el volumen así como el método exactitud deben ser medidos para ilustrar la relación entre la elasticidad y la viscosidad asociada con los procesos renales agudos.