Resolución numérica con Matlab de Problemas de Ingeniería Biomédica

El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es diseñar e implementar un conjunto completo de prácticas que cubran los contenidos matemáticos de las prácticas actualmente disponibles aplicándolos a la resolución de problemas específicos de la ingeniería biomédica. Estas prácticas se implementan en Matlab, del que la UPM dispone la licencia de campus. Las prácticas van precedidas de un planteamiento de cada problema biomédico. Este planteamiento incluye la deducción del modelo matemático que representa el problema en cuestión, salvo que sea excesivamente complicado (en comparación con el nivel exigible en el GIB), en cuyo caso se realizará una introducción teórica del proceso físico-químico a estudiar. Lo que se busca es que los problemas sean representativos de los temas estudiados a lo largo del grado en otras asignaturas. Las prácticas incluyen además un código Matlab ya escrito (total o parcialmente) o simplemente las instrucciones para la escritura del código por parte del alumno. Lo que se pretende con estas prácticas es reforzar el aprendizaje del alumno, tanto en sus aspectos de planteamiento/modelización de problemas, como en los de resolución, presentación escrita/gráfica de resultados y análisis de los mismos. Para lograr los objetivos expuestos se ha realizado en primer lugar una exhaustiva revisión bibliográfica sobre el tema, seguido del diseño de las prácticas, su implementación en Matlab y la prueba de los códigos. Una vez verificado su correcto funcionamiento, se redactó una guía del alumno, que contiene tanto el planteamiento teórico de la práctica como las instrucciones para su realización, y una guía del profesor, que incluye las soluciones de las prácticas y, en su caso, los problemas más habituales esperados en la resolución de las mismas. Se pretende con esta guía del profesor disponer de un manual que pueda ser fácilmente utilizado por posibles monitores de prácticas que ayuden al docente en su labor durante las sesiones de laboratorio de la asignatura.

Modelos de computación lógica con ADN

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos como las enzimas que cortan el ADN o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo más que signi�cativamente a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. En 1994, Leonard Adleman logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton Dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos similares al de �fuerza bruta� utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos (por ejemplo, el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT). Pronto se comprendió que la computación con biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas biológicos con aplicación biomédica, dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la Polimerasa, autómatas que funcionan con enzimas de restricción o con deoxiribozimas, circuitos de hibridación competitiva. Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos escalables, sensibles al tiempo y energéticamente e�cientes, capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando el fenómeno de la hibridación competitiva del ADN. La capacidad implícita de estos dispositivos para aplicar reglas de inferencia como modus ponens, modus tollens, resolución o el silogismo hipotético tiene un gran potencial. Entre otras funciones, permiten representar implicaciones lógicas (o reglas del tipo SI/ENTONCES), como por ejemplo, �si se da el síntoma 1 y el síntoma 2, entonces estamos ante la enfermedad A�, o �si estamos ante la enfermedad B, entonces deben manifestarse los síntomas 2 y 3�. Utilizando estos módulos lógicos como bloques básicos de construcción, se pretende desarrollar sistemas in vitro basados en sensores de ADN, capaces de trabajar de manera conjunta para detectar un conjunto de síntomas de entrada y producir un diagnóstico de salida. La reciente publicación en la revista Science de un autómata biomolecular de diagnóstico, capaz de tratar las células cancerígenas sin afectar a las células sanas, es un buen ejemplo de la relevancia cientí�ca que este tipo de autómatas tienen en la actualidad. Además de las recién mencionadas aplicaciones en el diagnóstico in vitro, los modelos presentados también tienen utilidad en el diseño de biosensores inteligentes y la construcción de bases de datos con registros en formato biomolecular que faciliten el análisis genómico. El estudio sobre el estado de la cuestión en computación biomolecular que se presenta en esta tesis está basado en un artículo recientemente publicado en la revista Current Bioinformatics. Los nuevos dispositivos presentados en la tesis forman parte de una solicitud de patente de la que la UPM es titular, y han sido presentados en congresos internacionales como Unconventional Computation 2010 en Tokio o Synthetic Biology 2010 en París.

Detección y seguimiento de objetos en vídeos de actividades de vida diaria para rehabilitación de pacientes con daño cerebral adquirido

Las técnicas de rehabilitación permiten la recuperación y mejora de las funciones dañadas o deterioradas y ayuda al paciente con DCA a adaptarse a su nueva situación. El avance tecnológico que se ha producido en las últimas décadas, ha impulsado la investigación en el diseño y desarrollo de nuevos modelos de rehabilitación. La tecnología de vídeo interactivo se convierte en un elemento de apoyo en estos nuevos modelos rehabilitadores. Se hace necesario desarrollar nuevos algoritmos de segmentación y seguimiento que permitan dotar de información adicional a los vídeos. En este trabajo se han implementado y evaluado dos métodos que permiten realizar la detección y el seguimiento de objetos de interés.

Análisis comparativo de algoritmos de aprendizaje para predecir la evolución de pacientes con Daño Cerebral Adquirido

ste trabajo presenta un análisis comparativo entre tres algoritmos de aprendizaje diferentes basados en Árboles de Decisión (C4.5) y Redes Neuronales Artificiales (Perceptrón Multicapa MLP y Red Neuronal de Regresión General GRNN) que han sido implementados con el objetivo de predecir los resultados de la rehabilitación cognitiva de personas con daño cerebral adquirido. En el análisis se han incluido datos demográficos del paciente, el perfil de afectación y los resultados provenientes de las tareas de rehabilitación ejecutadas por los pacientes. Los modelos han sido evaluados utilizando la base de datos del Institut Guttmann. El rendimiento de los algoritmos se midió a través del análisis de la especificidad, sensibilidad y exactitud en la precisión y el análisis de la matriz de confusión. Los resultados muestran que la implementación del C4.5 alcanzó una especificidad, sensibilidad y exactitud en la precisión del 98.43%, 83.77% y 89.42% respectivamente. El rendimiento del C4.5 fue significativamente superior al obtenido por el Perceptrón Multicapa y la Red de Regresión General.

Minería de Datos usando Metaplasticidad Artificial en la Rehabilitación Cognitiva de Pacientes con Daño Cerebral

El propósito principal de esta investigación es la aplicación de la Metaplasticidad Artificial en un Perceptrón Multicapa (AMMLP) como una herramienta de minería de datos para la predicción y extracción explícita de conocimiento del proceso de rehabilitación cognitiva en pacientes con daño cerebral adquirido. Los resultados obtenidos por el AMMLP junto con el posterior análisis de la base de datos ayudarían a los terapeutas a conocer las características de los pacientes que mejoran y los programas de rehabilitación que han seguido. Esto incrementaría el conocimiento del proceso de rehabilitación y facilitaría la elaboración de hipótesis terapéuticas permitiendo la optimización y personalización de las terapias. La evaluación del AMMLP se ha realizado con datos proporcionados por el Institut Guttmann. Los resultados del AMMLP fueron comparados con los obtenidos con una red neuronal de retropropagación y con árboles de decisión. La exactitud en la predicción obtenida por el AMMLP en la subfunción cognitiva memoria verbal-visual fue de 90.71 %, resultado muy superior a los obtenidos por los demás algoritmos.

eCONSULTA: Integración de un Sistema de Videoconsultoría Web entre Asistencia Primaria y Atención Especializada

En este artículo presentamos un sistema de videoconferencia web de bajo coste cuyo objetivo es mejorar la comunicación entre Atención Primaria y Atención Especializada optimizando los recursos y la calidad de la atención en enfermedades con alta prevalencia en la actualidad. En este caso se utiliza para problemas metabólicos como la diabetes o patologías del tiroides, aunque podría ser aplicado a otras patologías. El sistema está basado en una herramienta de SW libre (OpenMeetings) adaptada a nuestras necesidades y a la que se han añadido funcionalidades importantes como una sala de espera virtual o la administración de agendas. eCONSULTA ha sido instalado en el Servicio de Endocrinología y Nutrición del Hospital de Sabadell e integrado en el sistema de información médico de los Centros de Atención Primaria de la comarca del Vallés Occidental, provincia de Barcelona. En el momento de la redacción del artículo se está realizando un estudio de viabilidad y satisfacción de los usuarios.

Modelado de Procesos de Neurorrehabilitación

La Neurorrehabilitación es un proceso clínico que se centra en el abordaje de la alteración del sistema nervioso. Existe una enorme variabilidad tanto en la tipología como en el grado de las lesiones neurológicas, lo que la convierte en un proceso extremadamente complejo de analizar y comprender. El presente trabajo se centra en el modelado de las principales actividades que se llevan a cabo en el contexto de la Neurorrehabilitación actual con el objetivo de detectar aquellos puntos en que puedan ser mejoradas, tanto a nivel organizativo como a nivel de ejecución. Por otra parte, se trata de comprenderlas en profundidad para tratar de transformarlas posteriormente en nuevas actividades automatizadas y monitorizadas que se ajusten al nuevo paradigma de rehabilitación ubicua, personalizada y basada en la evidencia.

Entornos virtuales de vídeo interactivo para neurorrehabilitación cognitiva

En pocos años, la discapacidad de origen cognitivo será uno de los principales problemas de salud. El déficit cognitivo influye en la ejecución de todas las actividades de la vida diaria. Pacientes con una afección de este tipo ven alterados su entorno social y familiar. Por todo ello, se hace imprescindible el desarrollo de programas de rehabilitación que permitan minimizar las consecuencias de las lesiones adquiridas y restituir o compensar las funciones afectadas. En la actualidad nos encontramos en un momento de cambio en las metodologías de la neurorrehabilitación, donde los entornos virtuales digitales interactivos son una fuente de innovación y una ventana terapéutica para la generación de nuevas estrategias basadas en una rehabilitación personalizada, monitorizada y ubicua, con la que lograr el máximo nivel de realización en las actividades de vida diaria. En este trabajo de investigación se plantea el uso del vídeo interactivo como medio tecnológico para realizar las terapias de rehabilitación cognitiva. Se presenta una prueba de concepto de una actividad de vida diaria y su posterior análisis por el equipo clínico del Instituí Guttmann. Los resultados preliminares apoyan su uso para alcanzar una rehabilitación basada en el nuevo paradigma.

Nanoinformática: retos e iniciativas para la gestión de la información generada en la investigación nanomédica

Durante la última década la investigación en nanomedicina ha generado gran cantidad de datos, heterogéneos, distribuidos en múltiples fuentes de información. El uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) puede facilitar la investigación médica a escala nanométrica, proporcionando mecanismos y herramientas que permitan gestionar todos esos datos de una manera inteligente. Mientras que la informática biomédica comprende el procesamiento y gestión de la información generada desde el nivel de salud pública y aplicación clínica hasta el nivel molecular, la nanoinformática extiende este ámbito para incluir el “nivel nano”, ocupándose de gestionar y analizar los resultados generados durante la investigación en nanomedicina y desarrollar nuevas líneas de trabajo en este espacio interdisciplinar. En esta nueva área científica, la nanoinformática (que podría consolidarse como una auténtica disciplina en los próximos años), elGrupo de Informática Biomédica (GIB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) participa en numerosas iniciativas, que se detallan a continuación.

Habilitadores para aplicación de teleconsulta sobre IP Multimedia Subsystem

En el presente trabajo se presenta el diseño e implementación de un conjunto de habilitadores o servicios genéricos para aplicaciones de teleconsulta sobre redes IMS. A partir de las funcionalidades identificadas en las aplicaciones de teleconsulta se han diseñado los habilitadores a desarrollar, que son los siguientes: una sala de espera virtual, una pizarra virtual y una multiconferencia multimedia. Estos servicios utilizan a su vez otros habilitadores genéricos referidos en el estado del arte de la arquitectura IMS. Tales servicios se han integrado en una arquitectura IMS para garantizar su funcionamiento. Para evaluar el funcionamiento de los habilitadores desarrollados se ha definido e implementado el caso de uso de una aplicación de teleconsulta avanzada.

Comparación del movimiento de alcance entre sujetos Sanos y Patológicos en Neurorrehabilitación Funcional de Extremidad Superior

El presente trabajo de investigación tiene como propósito principal realizar una comparación del movimiento de alcance entre sujetos aquejados de Daño Cerebral Adquirido y el correspondiente patrón de normalidad. La finalidad de esta comparación es detectar los déficits motores que permitan posteriormente emitir una valoración funcional del movimiento como parte de un método de evaluación objetiva de la función motora. La comparación del movimiento se basa en las medidas de parámetros espaciales y de similitud. En este trabajo se han utilizado modelos de movimiento de sujetos sanos en ejecuciones de Actividades de Vida Diaria (e.g. 'servir agua de una jarra'), como punto de referencia para encontrar diferencias relevantes con respecto a los datos de movimiento de cuatro pacientes bajo un proceso de Neurorrehabilitación Funcional de Extremidad Superio

Evaluación de habilidades motoras en cirugía de mínima invasión basada en el análisis del vídeo laparoscópico

En el presente trabajo se muestran los resultados preliminares de validación de un sistema de evaluación de habilidades motoras en cirugía de mínima invasión (CMI) basado en el seguimiento por vídeo del instrumental quirúrgico. El sistema, en fase de prototipo aún, se valida con 42 participantes (16 noveles, 22 residentes y 4 expertos). En esta primera fase del trabajo se han analizado varias métricas obtenidas a partir del 2D de la imagen. El sistema presenta validez para las métricas de tiempo, camino recorrido, velocidad media y eficiencia de espacio. A falta de implementar una versión definitiva capaz de llevar a cabo procesamiento en tiempo real de múltiples herramientas, y de la validación de métricas obtenidas a partir del 3D, se demuestra la viabilidad de construir entornos de formación basados en tecnologías de video, que sean transparentes al cirujano.

La relevancia de las métricas de movimiento en la evaluación objetiva de habilidades motoras en cirugía laparoscópica

El presente trabajo investiga la relevancia de las métricas de movimiento en la evaluación objetiva de habilidades laparoscópicas, así como su correlación directa a dichas habilidades. Se ha realizado una validación de construcción de tres nuevas tareas para la evaluación de cirujanos. Para registrar los movimientos, se ha empleado el sistema de tracking TrEndo. 42 voluntarios (16 noveles, 22 residentes y 4 expertos) participaron en el experimento. Los resultados muestran que tiempo, camino recorrido y profundidad son métricas de evaluación válidas para un amplio espectro de habilidades. Otras métricas como la brusquedad de movimientos o el tiempo muerto demuestran validez en tareas bi-manuales. Métricas como la brusquedad o la velocidad media muestran un alto grado de independencia con respecto a los objetivos de la tarea a realizar. Se verifica la utilidad de este tipo de métricas, si bien son necesarios nuevos estudios que corroboren los resultados alcanzados.

Estado del arte de los sistemas de navegación en cirugía hepática

Los avances en instrumentación, tecnologías de localización y en técnicas de procesado de imagen han permitido el desarrollo de la cirugía guiada por imagen (CGI). En concreto, los sistemas de navegación quirúrgicos permiten transferir los estudios preoperatorios, imágenes y decisiones al propio quirófano, sirviendo de apoyo a los cirujanos durante la intervención. Los principales retos de estos sistemas se hallan en su incorporación en cirugías de tejidos blandos, donde la deformación y el movimiento de los órganos complican el desarrollo de estos sistemas. Tal es el caso de las cirugías hepáticas. El presente trabajo recoge un estado del arte de sistemas de navegación centrados en cirugía hepática

Herramienta de autoría de contenidos didácticos multimedia para entorno de formación colaborativo en cirugía de mínima invasión

Dada la gran importancia de los contenidos para el éxito del proceso de formación es necesario desarrollar herramientas que permitan la creación de los mismos de una manera simple, eficaz y motivadora. Actualmente, su proceso de creación es largo y costoso, teniendo que llevarlo a cabo expertos cirujanos docentes en estrecha colaboración con técnicos especialistas en herramientas de edición y creación de contenidos multimedia. El presente trabajo de investigación presenta una nueva herramienta de autoría que permite la creación y edición de contenidos didácticos multimedia que son utilizados en el proceso de formación de los cirujanos. La herramienta incorpora un editor multimedia de vídeos laparoscópicos, capaz de realizar un procesamiento y agregar valor didáctico a los vídeos originales. La herramienta de autoría se incorpora en un entorno de formación web que permite crear, compartir y reutilizar contenidos didácticos basados en la edición de vídeo laparoscópico.