ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Τεχνολογία και Υγεία ή Γιατί μαθαίνουμε βιολογία; Ηλεκτρισμός = Ζωή Γιατί μαθαίνουμε βιολογία; Ανθρώπινο σώμα = Ηλεκτρομηχανικό και Χημικό Σύστημα Τίποτα δεν λειτουργεί χωρίς ηλεκτρισμό Κύτταρα διογκώνονται και διαλύονται Καρδιά, αναπνοή, αισθήσεις, μύες δεν λειτουργούν Ηλεκτρισμός = Ζωή Πρώτος συσχετισμός ηλεκτρισμού φυσιολογίας Λουίτζι Γκαλβάνι Ιταλός επιστήμονας (Μπολόνια 1737) Αποτελέσματα της εφαρμογής ηλεκτρικής ενέργειας στα ζωικά νεύρα και τους μυς ανακάλυψε τυχαία ότι το πόδι βατράχου συσπούσε όταν ακουμπούσε πάνω του ένα ηλεκτρισμένο χειρουργικό νυστέρι Το 1786 κατασκεύασε μια μπαταρία που περιείχε δύο διαφορετικά μέταλλα, και τους φυσικούς χυμούς από έναν βάτραχο 1
Ηλεκτρισμός = Ζωή Να + Να + Να + Κ + Κ + Να + ATP Η + Glu Cl - NO 3 HCO - 3 aa Κύτταρο Χημική ενέργεια (ATP) Ηλεκτροχημικές διαφορές (Να +, Κ + ) Βασικές λειτουργίες Πεπτικό σύστημα Ουροποιητικό σύστημα κλπ Χωρίςαυτέςτιςδιαφορές Διάχυση ιόντων και νερού Διόγκωση Κυτταρόλυση Κανάλια ιόντων Είσοδος και έξοδος από τα κύτταρα και το σώμα Π.χ. φιλτράρισμα στους νεφρούς σήματα νευρώνων Ηλεκτρισμός = Ζωή Νευρώνες Χημικά ερέθισμα ηλεκτρικό σήμα χημικό ερέθισμα Σύναψη Ερέθισμα από τον προηγούμενο νευρώνα Χημικό ερέθισμα Ηλεκτρικό ρεύμα προχωρά κατά μήκος του άξονα Κανάλια Na +, K + και Ca 2+ Ανοίγουν και κλείνουν διαδοχικά Τέρμα του άξονα Νευρομυϊκή ή άλλη σύναψη Ανθρώπινο Σώμα = Σήματα & Συστήματα Συνδυασμός από αλληλοεπιδρώμενα σήματα και συστήματα Παραδείγματα Κίνηση Όραση Αντανακλαστικά Ισορροπία κλπ Ισορροπία Αιθουσιαίο σύστημα Ημικυκλικοί σωλήνες Ρόλος επιθυμητή καθετότητα αντίληψη των τριών διαστάσεων του χώρου θέση και κίνηση του σώματος συντονισμός των κινήσεων του σώματος, του μυϊκού τόνου, της ισορροπία εικόνα του σώματός του μέσα στο χώρο και στο χρόνο 2
Ανθρώπινο Σώμα = Σήματα & Συστήματα Ανθρώπινο Σώμα = Σήματα & Συστήματα Αιθουσοφθαλμιαίο αντανακλαστικό Σταθεροποίηση του ματιού κατά την κίνηση του κεφαλιού Όταν το κεφάλι γυρίζει προς μια κατεύθυνση τα μάτια γυρίζουν προς την αντίθετη Διαφορετικά δεν θα μπορούσαμε να διαβάσουμε ή να αναγνωρίζουμε σχήματα εν κινήσει Ανθρώπινο Σώμα = Σήματα & Συστήματα Αισθητήρες Ημικυκλικοί σωλήνες Κύκλωμα Νευρώνες Επεξεργαστής Εγκέφαλος Ολοκληρωτής (επιτάχυνση ταχύτητα) Επενεργητής Μύες του ματιού Κύκλωμα ανάδρασης Οφθαλμοί οπτικό νεύρο εγκέφαλος (παρεγκεφαλίδα) κέρδος του κυκλώματος Π.χ. όταν αλλάξουμε φακούς αρχικά ζαλιζόμαστε αλλά μετά συνηθίζουμε 3
Βιοϊατρική Τεχνολογία Τι είναι Υγεία ; Η κατάσταση τέλειας σωματικής, πνευματικής, ψυχικής και κοινωνικής πνευματικής, ψυχικής και κοινωνικής λειτουργικότητας του ατόμου και όχι, απλώς η έλλειψη ασθένειας ή αναπηρίας Βιοϊατρική Τεχνολογία Τρυπανισμός (20 000 π.χ.) Τι είναι Βιοϊατρική Τεχνολογία ; Η Επιστήμη που εφαρμόζει αρχές και μεθόδους της τεχνολογίας, της μηχανικής και των θετικών βασικών επιστημών (φυσικής, χημείας και μαθηματικών) στην προσπάθεια διάγνωσης, θεραπείας, αλλά και κατανόησης των προβλημάτων που αναφαίνονται στη Βιολογία και την Ιατρική Πόσο αρχαία είναι η βιοϊατρική τεχνολογία; Βιοϊατρική Τεχνολογία Κύριος στόχος είναι η βελτίωση της ιατρικής τεχνολογίας: Καλύτερα διαγνωστικά μέσα Αποτελεσματικότερη θεραπεία Καλύτερη ποιότητα ζωής Καινούργιες τεχνολογίες ή προσαρμογή παλαιότερων ανακαλύψεων 4
Βιοϊατρική Τεχνολογία Εμβιομηχανική: Προσομοίωση βασικών βιολογικών συστημάτων Ιατρική Τεχνολογία Νέα διαγνωστικά και θεραπευτικά συστήματα Κλινική Μηχανική Βελτίωση της παροχής υπηρεσιών υγείας Τεχνολογία Αποκατάστασης βελτίωση των συνθηκών ζωής ατόμων με ειδικές ανάγκες τεχνητά όργανα Βιοϊατρική Τεχνολογία Παράδειγμα διαγνωστικής βιοϊατρικής τεχνολογίας: Ηλεκτροκαρδιογράφημα Στις περισσότερες περιπτώσεις αρκεί ένααπλόηκγγιαναθέσητην διάγνωση του εμφράγματος Διαδικασία καταγραφή σε χαρτί του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγει η καρδιά και φτάνει στο δέρμα Ηλεκτροκαρδιογράφος Ένα ευαίσθητο βολτόμετρο καταγράφει μέσω ηλεκτροδίων τις διαφορές δυναμικού στην επιφάνεια του σώματος που προκύπτουν κατά την λειτουργία της καρδιάς απλή και ακίνδυνη εξέταση καθορίζει περαιτέρω διερεύνηση με πιο εξειδικευμένες και δαπανηρές εξετάσεις (π.χ. test κόπωσης, υπερηχογράφημα καρδιάς κλπ.) Βιοϊατρική Τεχνολογία Τι κάνει ο βιοϊατρικός μηχανικός Λειτουργία και σχεδίαση βιοϊατρικού εξοπλισμού Διαγνωστική Απεικόνιση Εξοπλισμός Κλινικού Εργαστηρίου Συσκευές Παρακολούθησης & Παθοφυσιολογίας Θεραπευτικές Συσκευές Τεχνητά Όργανα & Προσθετικές Συσκευές Αποκατάσταση & Βοηθήματα για Άτομα με Ειδικές Διαχείριση βιοϊατρικού εξοπλισμού Προστασία, εκπαίδευση Ασφάλεια, έλεγχος Συντήρηση, αξιολόγηση 5
Βιοϊατρική Έρευνα Προβλήματα παραμένουν άλυτα Κανένας δεν ξέρει τα πάντα! Βιοϊατρική Έρευνα Γέφυρα Επιστήμης και Τεχνολογίας Βιολογίας και Ιατρικής Επίλυση δύσκολων προβλημάτων διάγνωσης και θεραπείας Πολυθεματική έρευνα και συνεργασία Συνεργασία μεταξύ ερευνητών με ποικίλα ενδιαφέροντα Ηλεκτρολόγοι, μηχανολόγοι και χημικοί μηχανικοί Γιατροί, φυσικοί, χημικοί, βιολόγοι, νοσοκόμες, τεχνικοί, κλπ Βιοϊατρική Έρευνα Προβλήματα στον τομέα της υγείας ή της ιατρικής φροντίδας Λύσεις στην τεχνολογία Νέα τεχνολογία Προϋπάρχουσα τεχνολογία Παραδείγματα Μαγνητική Τομογραφία (νέα τεχνολογία) Dacron (προϋπάρχουσα τεχνολογία) Βιοϊατρική Έρευνα NMR (Μαγνητικός Πυρηνικός Συντονισμός) Μαγνητικά πεδία για αναγνώριση και μελέτη μορίων (~ 1946) Bloch & Purcell (Νόμπελ Φυσικής 1952) Paul Lauterbur, απεικόνιση με χρήση τρισδιάστατων μαγνητικών πεδίων, 1953 (Νόμπελ ιατρικής 2003) 6
Βιοϊατρική Έρευνα MRI (Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού ή Μαγνητική Τομογραφία) Ηλεκτρολόγοι και Μηχανολόγοι Μηχανικοί, Φυσικοί, Χημικοί Ισχυρότερα και τρισδιάστατα μαγνητικά πεδία Γιατροί και Βιολόγοι Πρώτα ιατρικά συστήματα σταμέσατηςδεκαετίαςτου 80 Βιοϊατρική Έρευνα Τρισδιάστατη απεικόνιση νευρικού συστήματος, μυών και οστών Βιοϊατρική Έρευνα Dacron Ένας μακρύς πολυεστέρας που σχηματίζει ίνες (Wallace Carothers, 1929) Το 1953 άρχισε μαζική παραγωγή με βάση την τεχνολογία που αναπτύχθηκε για την κατασκευή νάιλον Χρησιμοποιείται για μαξιλάρια, στρώματα κλπ Μόσχευμα Dacron Αδρανές (δεν αντιδρά), συμβατό (δεν απορρίπτεται) Το 1953 άρχισε να χρησιμοποιείται από τον Dr. DeBakey για επιδιόρθωση αορτών Σήμερα χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει διάφορους ιστούς Αντικατάσταση τμημάτων αρτηριών (σε κυλινδρική μορφή) Κάλυψη οπών Ενδυνάμωση τοιχωμάτων 7
Βιοϊατρική Έρευνα Τεχνολογία επικοινωνιών στην υγεία Υπολογιστές και δίκτυα Δίκτυα νοσοκομείων Ηλεκτρονικά αρχεία Τηλεπικοινωνίες Τηλεϊατρική και Τηλεχειρουργική Διάγνωση και θεραπεία εξ αποστάσεως Παρακολούθηση στο σπίτι Λέιζερ Διάγνωση και θεραπεία Πρόβλημα: Έγκαιρη, ακριβής και μη επεμβατική διάγνωση του καρκίνου Λύση: απεικόνιση με λέιζερ Κωνσταντίνος Πίτρης, MD, PhD Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Πολυτεχνική Σχολή, Πανεπιστήμιο Κύπρου Εισαγωγή Η έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου σώζει ζωές Για να είναι επιτυχής η θεραπεία πρέπει να γνωρίζουμε μέχρι που φτάνουν τα όρια του καρκίνου Τώρα η διάγνωση γίνεται με βιοψίες και ιστοπαθολογία που χαρακτηρίζονται από σοβαρά μειονεκτήματα Περιορισμένος αριθμός λάθη Επιπλοκές Μια τεχνολογία που θα επέτρεπε με επεμβατική και ψηλής ευκρίνειας απεικόνιση θα ήταν ένα πολύ χρήσιμο διαγνωστικό εργαλείο Απεικόνιση ψηλής ευκρίνειας Προληπτική εξέταση όπου οι βιοψίες είναι επικίνδυνες ή αδύνατες Καθοδήγηση της βιοψίας σε περιοχές ψηλού κινδύνου (λιγότερα λάθη και λιγότερες βιοψίες) Μη-επεμβατική παρακολούθηση της θεραπείας 8
Σάρωση Σήμα Βάθος Ιστός Λέιζερ Σκέλος Αναφοράς Κάτοπτρο (αναφοράς) Διαχωριστής Ιστός Ηλεκτρονικά Οθόνη Υπολογιστής Σκέλος Δείγματος y x Πρόληψη (Τέστ Παπανικολάου) Διάγνωση (Κολποσκόπηση - Βιοψία) 9
Κολποσκόπιο Semiconductor Amplified Source (1.3 μm) Detection Electronics Monitor Computer Frame Grabber S-VHS Video Sync Recorder Electronics Galvo Controller Ευκρίνεια: 20 µm Ταχύτητα: 4-8 fps Mild, Moderate and Severe Dysplasia A 2 mm B 2 mm C 2 mm D E F 500 µm 500 µm 500 µm G H I Nabothian Cysts, Vessels and Glands A B C 2 mm 2 mm 2 mm D 500 µm E 500 µm F 500 µm c c c vv gg g G H H c c c vv gg g ec ec 10
100 μm Νέα λέιζερ μπορούν να αυξήσουν την ευκρίνεια σε 1-2 μm στους ιστούς Απεικόνιση ανθρωπίνων κυττάρων (μέγεθος 10-30 μm) Ευκρίνεια: 1.5x5 μm Διαφορές μεταξύ φυσιολογικών και δυσπλαστικών ιστών Απεικόνιση κυττάρων Μπορούμε πραγματικά να διαγνώσουμε την δυσπλασία με ΟΣΤ; Ποια πρέπει να είναι τα χαρακτηριστικά του συστήματος για επιτυχή διάγνωση; 11