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Algunas Aplicaciones de Control en Medicina
Miguel Ríos Bolívar Departamento de Sistemas de
Control Escuela de Ingeniería de Sistemas
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
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Qué es CONTROL?
Control medicióncálculoactuación
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Control en Sistemas Biológicos

• Los avances en biología molecular de las últimas
  dos décadas han permitido
• Establecer experimentalmente las relaciones
  causales entre procesos iniciados por moléculas
  individuales (en una célula) y sus efectos
  fenotípicos macroscópicos en células y
  organismos.
• Proveer conocimientos detallados sobre la
  importancia de las redes y rutas responsables de
  la funcionalidad básica y robustez de los
  sistemas biológicos.
• Crear nuevas oportunidades para el desarrollo de
  herramientas cuantitativas y predictivas para
  modelación y simulación.

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Control en Sistemas Biológicos (cont.)

• El campo de los sistemas biológicos combina
  enfoques y métodos de la ingeniería de sistemas,
  biología computacional, estadística, genómica,
  biofísica y otros campos para ayudar a comprender
  redes biológicas complejas.
• En particular, los métodos de la ingeniería de
  sistemas permiten caracterizar el rico
  comportamiento dinámico exhibido por los sistemas
  biológicos.
• El mecanismo de adaptación perfecta presente en
  los sistemas biológicos ha sido dilucidado e
  interpretado en términos de ingeniería de control
  clásico realimentación integral (robusta y
  adaptativa)

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Control en Sistemas Biológicos (cont.)

• Los sistemas de control naturales son parangones
  de la optimización, las arquitecturas de redes
  biológicas han sido perfeccionadas para lograr
  regulación automática robusta de una variedad de
  procesos a nivel de genes, proteínas, células y
  sistemas completos.
• Uno de los retos de investigación en sistemas
  consiste en develar el control jerárquico y de
  múltiples escalas de tiempo que logra desempeño
  robusto ante perturbaciones estocásticas.
• Una de las características más sobresalientes de
  la complejidad altamente evolucionada es la
  coexistencia de robustez extrema y fragilidad
  (alta sensibilidad a perturbaciones).
• Un ejemplo de colaboración entre ingenieros de
  control y biólogos es la quimiotaxis, fenómeno en
  el cual las bacterias y otras células de
  organismos celulares dirigen sus movimientos de
  acuerdo a ciertas sustancias químicas en su medio
  ambiente (Ej. Feromonas).

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Control en Sistemas Biológicos (cont.)

• El campo de los sistemas biológicos aborda con
  un enfoque interdisciplinario el estudio de las
  complejas interacciones no triviales de las redes
  biofísicas regulación genética, interacciones
  entre proteínas, las redes metabólicas de
  organismos y el acoplamiento de organismos en
  ecosistemas.
• Ejemplos de redes biofísicas complejas son
• Redes del ritmo circadiano, asociado a eventos
  biológicos que se repiten aproximadamente cada 24
  horas (Ej. Jet lag).
• Apoptosis, mecanismo de muerte programada de la
  célula, utilizado por la naturaleza para
  aniquilar, estratégicamente, las células
  infectadas y no requeridas.
• Ruta de señalización de la insulina, secuencia de
  acciones que se inicia cuando la insulina se une
  a un receptor sobre la superficie de la célula,
  regulando el nivel de glucosa.

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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos

• Con los avances en ingeniería, la miniaturización
  y la creciente capacidad computacional, se ha
  hecho posible el aprovechamiento de las
  herramientas de control y automatización en el
  campo médico.
• Un ejemplo común de automatización en medicina es
  el marcapasos, con la implantación mundial de un
  cuarto de millón de unidades por año. Los
  dispositivos actuales incluyen
• algoritmos de diagnóstico para análisis a tiempo
  real,
• respuesta adaptativa (control), y
• capacidad de programación.

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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos

• La práctica médica, en un sentido amplio, es una
  disciplina que se basa en encontrar soluciones
  factibles a problemas de bio-sistemas complejos
  (control basado en modelos).

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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos

• La Fármaco-Cinética (FC) es el estudio de la
  administración, distribución y eliminación de
  drogas en el cuerpo.
• Para capturar la dinámica, después de la
  dosificación de drogas, se emplea el modelo de
  compartimientos

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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos

• El modelo matemático para dos comportamientos
  puede escribirse

D(t) dosis administrada x1(t),x2(t)
masas de droga k12,k21 tasas de
transferencia entre compartimientos
kcl tasa de eliminación de la droga
V volumen del compartimiento central
y(t) concentración medida de la droga
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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos

• Con la potencia computacional actual, simular
  modelos fisiológicos de administración y
  distribución de drogas es una tarea simple y
  directa
• En un modelo basado en fisiología, cada bloque
  representa una ecuación diferencial ordinaria que
  caracteriza la concentración en un tejido o
  fluido particular.
• La utilidad de estas estructuras es de mayor
  potencial benéfico cuando se evalúan efectos
  Fármaco-Dinámicos (FD).
• A diferencia de los modelos de compartimientos,
  el modelo fisiológico también permite asignar los
  efectos de la droga a sus correspondientes
  espacios de acción fisiológica.

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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos
Modelo Fisiológico para una aplicación de
quimioterapia de cáncer
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Modelado y Control de Sistemas Biomédicos

• Una herramienta empleada comúnmente en el diseño
  de tratamientos basados en modelo, para sistemas
  biomédicos, es el control óptimo.
• Una forma de aprovechar el control basado en
  modelo y las técnicas de optimización es utilizar
  control predictivo de modelo (MPC)

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Control de la Diabetes Tipo I
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Control de la Diabetes Tipo I
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Radio y quimioterapia de Cáncer

• El Cáncer es un conjunto de enfermedades que
  resultan de una serie de mutaciones genéticas y
  se caracterizan por un desbalance entre la
  proliferación de células y la apoptosis.
• La radioterapia (RT) se utiliza en lugar de la
  cirugía debido a que el tejido circundante al
  tumor es demasiado sensible para permitir la
  incisión quirúrgica (ej., tumores localizados
  cerca de la columna espinal).
• Todos los tratamientos de cáncer se complementan
  con quimioterapia (QT) sistémica, para atacar las
  lesiones metastásicas antes de sus diagnóstico
  clínico.

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Radio y quimioterapia de Cáncer

• Un avance clave en RT, que requiere componentes
  importantes de automatización, fue el desarrollo
  de la modulación de intensidad en las fuentes de
  radiación.
• Una fuente de acelerador lineal suministra
  radiación modulada para aplicar dosis óptimas de
  radiación al volumen de tejido blanco (modelo
  matemático basado en física de radiación).

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Robots en Medicina

• Los sistemas robóticos integrados en
  aplicaciones médicas son diseñados para ayudar y
  asistir al ser humano (paciente u operador),
  cumpliendo con las leyes de la robótica (Asimov,
  1942).

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Robots en Medicina

• Los robots médicos han sido clasificados de
  acuerdo a las siguientes categorías pasivos,
  semiactivos y robots activos (reflejando el nivel
  de autonomía de los mismos).
• En la categoría semiactiva, el robot actúa como
  un asistente durante la operación, manteniendo
  una herramienta en una posición estacionaria para
  servir de guía precisa en la cirugía (ej. el
  robot miniatura Mazor que asiste en cirugía de
  columna).

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Robots en Medicina

• Los sistemas robóticos activos realizan tareas
  quirúrgicas con autonomía y sin intervención del
  cirujano, tales como taladrado o esmerilado.
• Los robots médicos más usados hoy día son los
  manipuladores remotos (telecirugía), que pueden
  ser operados desde una localización remota sin
  que el cirujano se encuentre en quirófano.

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Robots en Medicina

• Los navegadores quirúrgicos son robots médicos
  que incluyen mecanismos de planificación
  pre-operatoria, permitiendo cirugías virtuales en
  una pantalla, con datos tomados del paciente por
  TC y/o IRM.
• Una nueva versión de navegadores médicos usa el
  concepto de solapamiento de imágenes. Mediante
  esta técnica se superponen imágenes
  computarizadas e imágenes del mundo real
  (realidad aumentada), por proyección de objetos
  virtuales en la escena real.

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Automatización de Hospitales

• La automatización es muy común en la actualidad
  (ej., cajeros automáticos, lectores de códigos de
  barra, comunicaciones inalámbricas)
• Habitualmente, los pacientes visitan diferentes
  servicios médicos pero, sin un registro
  digitalizado, los galenos pierden la fotografía
  completa de la historia médica del paciente.
• Los registros electrónicos ayudarían a incorporar
  alertas importantes y oportunas.
• Automatizar el registro de la prescripción
  médica ayudaría a evitar los riesgos asociados a
  las escrituras ilegibles. Además, automatizar el
  suministro de drogas ayudaría a satisfacer los
  cinco correctos el paciente correcto recibe la
  dosis correcta de la droga correcta, a través de
  la via correcta y en el instante correcto.

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Automatización de Hospitales

• La informática médica requiere avanzar más allá
  de la gerencia de información adquirir,
  almacenar y transferir datos, al nivel de
  gerencia del conocimiento la habilidad para
  sintetizar y aplicar los datos disponibles y, de
  esta manera, transformar la práctica médica.

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GRACIAS POR SU ATENCIÓN !!!!