Revista Ingeniería Biomédica

ANALYSIS OF BIOMATERIALS FOR SKIN TISSUE ENGINEERING: REVIEW

La ingeniería de tejidos es un área que ha venido creciendo desde los últimos treinta años con diferentes aplicaciones en piel, hueso, tejido neural, tejido cardiovascular, entre otras. Una de las áreas más trabajadas y de mayores aplicaciones es la relacionada con el tejido de la piel, con importantes avances en el desarrollo de sustitutos. En este trabajo se hace una revisión sobre los biomateriales más usados para desarrollos en el área de ingeniería de tejidos con aplicaciones específicas al tejido de piel. La información obtenida fue clasificada de acuerdo a los biomateriales más usados de origen natural o sintético, y de acuerdo a sus aplicaciones como sustitutos dérmicos, epidérmicos o dermo-epidérmicos. A su vez las ventajas y desventajas de su implementación in vivo o clínica fueron consideradas. Adicionalmente, se presenta una introducción al uso de los nanomateriales en diferentes áreas relacionadas con la ingeniería de tejidos. Según esta revisión, la biocompatibilidad de los materiales naturales es adecuada, al igual que la recepción al momento del injerto, pero su resistencia mecánica es baja. Los materiales sintéticos, por su parte, presentan más alta resistencia mecánica y siguen siendo objeto de investigación para mejorar su biocompatibilidad y controlar su degradación. Dentro del estudio se presentaron los nanomateriales como un área de amplio desarrollo y de alta proyección para su aplicación en ingeniería tisular.

Tissue engineering is a research field that has grown over the last thirty years with different applications in skin, bone, neural tissue and cardiovascular tissue, among others. One of the most studied and promising application relates to the engineering of skin tissue, which has led to important advances in the development of skin substitutes. This work reviews the most used biomaterials for applications in the field of skin tissue engineering. The reviewed literature was classified according to the most used natural or synthetic biomaterials and according to their application as dermal, epidermal, or dermal-epidermal substitutes. At the same time, advantages and disadvantages of their in vivo or clinical implementation were considered. Based on this literature review, the biocompatibility of natural materials is appropriate, as well as their grafting efficiency, but their mechanical strength is low. Synthetic materials, in contrast, show higher mechanical strength and are subject of investigations that seek to improve their biocompatibility and biodegradability. This review also showed that the use of nanomaterials is a very promising research area with excellent prospects for applications in tissue engineering.

Engenharia de tecidos é uma área que tem crescido desde os últimos trinta anos, com diferentes aplicações em pele, osso, tecido neural, tecido cardiovascular, entre outros. Uma das áreas de aplicação mais elaborados e maiores está relacionada com o tecido da pele, com um progresso significativo no desenvolvimento de substitutos. Este trabalho apresenta uma revisão dos biomateriais mais utilizados para desenvolvimentos na área da engenharia de tecidos com aplicações específicas para o tecido da pele. As informações obtidas foram classificadas de acordo aos biomateriais mais utilizados de origem natural ou sintética, e de acordo às suas aplicações como substitutos de pele, epidérmica ou dermo-epidérmica. Por sua vez, as vantagens e desvantagens da sua implementação in vivo ou clínica foram considerados. Além disso uma introdução ao uso de nanomateriais em diferentes áreas relacionadas com a engenharia de tecidos é apresentado. De acordo com esta revisão, a biocompatibilidade de materiais naturais é adequado, como o tempo de recepção da enxertia, mas a sua resistência mecânica é baixa. Os materiais sintéticos, por sua vez, tem alta resistência mecânica e ainda estão sob investigação para melhorar a sua biocompatibilidade e controle de degradação. Dentro deste estudo apresentaram-se os nanomateriais como um área de desenvolvimento global e alta projeção para uso em engenharia de tecidos.

CALCULATION OF THE EFFECTIVE ATOMIC NUMBER PARTIAL AND TOTAL OF HEALTHY AND MALIGNANT BREAST TISSUES

Se calcularon los números atómicos efectivos totales y parciales de tejidos mamarios sanos y malignos, utilizando el software WinXcom y su base de datos; en el rango de energía de 10 keV ≤ E ≤ 500 keV. Los cálculos realizados, correspondientes a los procesos microscópicos relevantes involucrados, muestran que mediantes los mismos es posible describir y diferenciar los tejidos mamarios sanos y malignos entre sí.

We calculated effective atomic numbers partial of healthy and malignant breast tissues, using WinXcom software and database, in the energy range 10 keV ≤ E ≤ 500 keV. Calculations corresponding to the relevant microscopic processes involved, show that is possible describe and differentiate healthy and malignant breast tissues each other using partial effective atomic numbers.

Os números atômicos total e parciais de tecidos mamários saudáveis e malignas foram calculados utilizando o software WinXcom e o seu banco de dados, na faixa de energia de 10 keV ≤ E ≤ 500 keV. Os cálculos realizados, correspondentes aos processos microscópicos relevantes envolvidos mostram que pode-se descrever e diferenciar os tecidos mamários saudáveis e malignas.

TELEOPERATED SYSTEMS: A PERSPECTIVE ON TELESURGERY APPLICATIONS

Teleoperation had become one of the most prolific areas of research due to the great number of applications in which the remote operation paradigm can be applied. Teleoperation is made from several disciplines, areas or techniques, ranging from communications to systems control and from virtual reality to digital signal processing. Hence, individual advancements in these areas could be applied to developments in teleoperation systems. This article presents a compilation of important terms and concepts. It also presents a compilation of the state of the art in teleoperation systems, with special emphasis in telesurgery applications and related research studies in the area comprising image processing and cooperative robotics, which have been used to increase the effectiveness in telemedicine systems and to increase the quality of surgical procedures.

La teleoperación se ha convertido en una de las áreas de investigación más prolíficas, debido al gran número de aplicaciones en las que se puede aplicar el paradigma de operación remota. La teleoperación está conformada de varias disciplinas, áreas o técnicas, desde comunicaciones hasta control de sistemas y desde realidad virtual hasta procesamiento de señales digitales. Así, avances individuales en estas áreas podrían ser aplicados a la evolución de los sistemas de teleoperación. En este artículo se presenta una compilación de términos y conceptos importantes en el área. También se presenta una recopilación de los más recientes avances en sistemas de teleoperación, haciendo un especial énfasis en la telecirugía y en las investigaciones en esta área que durante los últimos años, hacen uso del procesamiento de imágenes y de la robótica cooperativa para aumentar la efectividad de los sistemas de telemedicina con el fin de incrementar la calidad de los procedimientos quirúrgicos.

A teleoperação tornou-se uma das áreas mais prolíficas de pesquisa, devido ao grande número de aplicações em que se pode aplicar o paradigma de operação remota. A teleoperação consiste em várias disciplinas, áreas ou técnicas, desde comunicação até controle de sistemas e desde realidade virtual até processamento de sinal digital. Assim, o progresso individual nestas áreas pode ser aplicado ao desenvolvimento de sistemas de teleoperação. Este artigo fornece uma compilação de termos e conceitos importantes apresentados na área. Também apresenta-se uma coleção dos mais recentes avanços nos sistemas de teleoperação, com especial ênfase na telesurgery e investigação nesta área nos últimos anos, fazendo uso de processamento de imagens e robótica cooperativa para aumentar a eficácia sistemas de telemedicina, a fim de aumentar a qualidade de procedimentos cirúrgicos.

MODELING AND SIMULATION OF A THERAPEUTIC ROBOT FOR LOWER LIMBS REHABILITATION

La rehabilitación en un sentido general tiene el objetivo de reincorporar a una persona a sus actividades de la vida cotidiana. Actualmente, un paciente que requiere de alguna rehabilitación sufre de largas esperas para ser atendido debido a la falta de personal en las clínicas y hospitales. Una alternativa para ayudar al personal médico en las terapias de rehabilitación es utilizando robots terapéuticos. Este artículo muestra el modelado y la simulación de un robot terapéutico para la rehabilitación de miembros inferiores. Se presenta el modelo cinemático y dinámico de un robot de tres grados de libertad con un efector final configurado en paralelo. Se presenta una ley de control por par calculado para el seguimiento de trayectorias planificadas. Se presentan simulaciones de ejercicios terapéuticos para cadera y rodilla realizadas en ADAMS y MATLAB para conocer el comportamiento cinemático y dinámico del robot. Los resultados obtenidos demuestran el gran potencial del robot terapéutico para asistir en la rehabilitación de miembros inferiores.

Rehabilitation in a general sense aims to reinstate a person to their activities of daily living. Currently, a patient that requires a rehabilitation suffers long waits for treatment due to lack of staff in clinics and hospitals. An alternative to assist medical staff in rehabilitation therapies is using therapeutic robots. This paper shows the modeling and simulation of a therapeutic robot for lower limb rehabilitation. The kinematic and dynamic model of a robot of three degrees of freedom with an end-effector configured in parallel is presented. A computed torque control law for a planned trajectory tracking task is presented. Simulations of therapeutic exercises for hip and knee carried out in ADAMS and MATLAB for know the kinematic and dynamic behavior of the robot are presented. The results demonstrate the great potential of the therapeutic robot to assist in the rehabilitation of lower limbs.

A reabilitação de um modo geral tem como objetivo restabelecer uma pessoa para as suas atividades de vida diária. Atualmente, um doente que necessite de alguma reabilitação sofrem com longas esperas para o tratamento devido à falta de pessoal em clínicas e hospitais. Uma alternativa para ajudar a equipe médica em terapias de reabilitação é o uso de robôs terapêuticos. Este artigo mostra o modelado e a simulação de um robô terapêutico para a reabilitação do membro inferior. Apresenta-se também Modelo cinemática e dinâmica de um robô de três graus de liberdade com uma extremidade atuante configurados em paralelo. A lei de controle para o acompanhamento calculados para par planejado trajetórias é apresentado. Simulações de exercícios terapêuticos para substituições de quadril e joelho realizadas em ADAMS e MATLAB para o comportamento cinemático e dinâmico do robô são apresentados. Os resultados demonstram o grande potencial do robô terapêutico para ajudar na reabilitação de membros inferiores.

DETECTION OF EVENT-RELATED POTENTIALS IN BRAIN-COMPUTER INTERFACES USING THE WAVELET TRANSFORM

Una interfaz cerebro computadora (ICC) es un sistema que provee una forma de comunicación directa entre el cerebro de una persona y el mundo exterior. Para el presente trabajo se utilizaron ICC basadas en EEG utilizando el paradigma de potenciales evocados relacionados con eventos (PRE). El objetivo de este trabajo es resolver en forma eficiente el problema de clasificación, en el cual se tienen dos clases posibles: registros con respuesta (PRE) y registros sin respuesta. Para esto se propone evaluar el desempeño de una ICC utilizando la transformada wavelet diádica discreta (DDWT, del inglés Dyadic Discrete Wavelet Transform) y la transformada wavelet packet (WPT, del inglés Wavelet Packet Transform) como métodos de extracción de características para la detección de la señal de PRE. La base de datos utilizada posee registros de EEG de época única de diez sujetos sanos. A partir de los patrones temporales (registros sin post-procesamiento) se generaron cinco conjuntos de patrones wavelet luego de aplicar la DDWT y WPT mediante diferentes técnicas. Se evaluó el desempeño de cada conjunto de patrones wavelet y de los patrones temporales mediante un clasificador lineal de Fisher. Se encontró que los patrones DDWT filtrados a 16 Hz presentan resultados de clasificación superiores a los patrones temporales. De esta manera al mejorar la etapa de extracción de características se mejora la clasificación, y consecuentemente, el desempeño del sistema completo de una ICC.

A brain-computer interface (BCI) is a system that provides a direct communication between the brain of a person and the outside world. For the present work we used an EEG-based event-related evoked potentials BCI. This paper aims to efficiently solve the problem of classification, which has two possible classes: recordings with evoked-potentials (ERP) and recordings without them. We proposed to evaluate the performance of a BCI using the discrete dyadic wavelet transform (DDWT) and the wavelet packet transform (WPT) as feature extraction methods for ERP signal detection. The database consisted of single-epoch EEG recordings from ten healthy subjects. From temporal patterns (recordings without any post-processing), five wavelet patterns were generated after applying DDWT and WPT via different techniques. The performance of the wavelet and temporal patterns were analyzed with the Fisher linear classifier finding that DDWT patterns, filtered at 16 Hz, presented better classification results than temporal patterns. This means that improving the feature extraction step, improves classification, and consequently, the performance of the entire BCI system.

Uma interface cérebro-computador (BCI) é um sistema que fornece uma forma de comunicação direta entre o cérebro de uma pessoa e o mundo exterior. Para este trabalho foram utilizados ICC baseado EEG evocados usando o paradigma de potenciais relacionados a eventos (ERP). O objetivo deste trabalho é resolver de forma eficiente o problema de classificação, em que há duas classes possíveis: registros Respondidas (PRE) e registros sem resposta. Para isso é avaliar o desempenho de uma ICC usando a wavelet diádica transformada discreta (DDWT, Discrete Wavelet Diádica Inglês Transform) e transformar pacote wavelet (WPT Transformada Wavelet Packet Inglês) como métodos de extração de características para a detecção de sinal PRE. A base de dados utilizada tem apenas EEG registra o tempo de dez indivíduos saudáveis. A partir dos padrões temporais (sem registros de pósprocessamento), cinco conjuntos de padrões após a aplicação wavelet e WPT DDWT gerado por várias técnicas. O desempenho de cada conjunto de padrões de wavelet e padrões temporais usando um classificador linear Fisher foi avaliado. Descobrimos que os padrões DDWT filtrados para 16 Hz apresentaram resultados acima da classificação padrões temporais. Assim, para melhorar a classificação de estágio de extração de características é melhorada, e, consequentemente, o desempenho de todo o sistema no ICC.

2-D VIRTUAL TRAINING TOOL FOR FINE MOTOR REHABILITATION IN UPPER LIMB USING A HAPTIC DEVICE

En este documento se presenta una aplicación software para la rehabilitación de motricidad fina en miembro superior. El sistema desarrollado consiste de un ambiente virtual en dos dimensiones (2-D) donde se desarrollan diferentes ejercicios de rehabilitación, y de una base de datos que almacena información sobre el desempeño de los usuarios, registrada a lo largo de las diferentes sesiones de entrenamiento. El presente artículo se centra en los aspectos teóricos y de implementación de un ejercicio de rehabilitación motriz que consiste en guiar un anillo alrededor de una trayectoria curvilínea en un mundo virtual, utilizando una interfaz háptica. Como aspectos innovadores se destacan: (i) la implementación de un campo de fuerza con nivel de asistencia preprogramado que ayuda al usuario a centrar el anillo alrededor de la trayectoria a seguir, (ii) la generación automática de dichas trayectorias, (iii) y la cuantificación del seguimiento que hace el usuario a la trayectoria.

This paper presents a software application for fine upper limb motor rehabilitation. It consists of a two dimensions (2-D) virtual environment, where motor rehabilitation exercises are developed, and a database that stores information about the performance of users during the training sessions. This article focuses on the theory and implementation of a rehabilitation exercise: guiding a ring around a curved path in a virtual world using a haptic interface. The innovative aspects of the exercise are: (i) the implementation of a force field with preprogrammed level of assistance to help the user to center the ring in the path, (ii) automatic generation of curved paths, (iii) and quantification of the user's performance during the training sessions.

Este trabalho apresenta a aplicação de software para a reabilitação da motricidade fina no membro superior. O sistema desenvolvido consiste de um ambiente virtual bidimensional (2-D), onde se desenvolvem diferentes exercícios de reabilitação e de um banco de dados que armazena informações sobre o desempenho dos usuários, registradas ao longo das diferentes sessões de treinamento. O presente artigo baseia-se nos aspectos teóricos e de implementação de um exercício de reabilitação motora que consiste em guiar um anel em torno de uma trajetória curvilínea no mundo virtual, utilizando uma interface háptica. Seus aspectos inovadores são: (i) a implementação de um campo de força com nível de assistência pré-programado que ajuda o usuário a centralizar o anel em torno da trajetória a ser seguida, (ii) a geração automática dessas trajetórias, (iii) e a quantificação do percurso feito pelo usuário durante a trajetória.

CONTENT-BASED RETRIEVAL OF CERVICAL MICROSCOPIC IMAGES INFECTED WITH HUMAN PAPILLOMAVIRUS USING TEXTURAL FEATURES

Se presenta el proceso de caracterización implementado para la obtención de descriptores visuales que representan el contenido visual de imágenes digitales de biopsias de cuello uterino infectadas con el Virus del Papiloma Humano (VPH), en las que se capturan tejidos con lesiones conocidas como Condiloma Plano Viral. A partir de la construcción de una base de datos de imágenes de biopsias de cuello uterino y el análisis e implementación de técnicas de filtrado que resaltan la información relacionada a las texturas contenidas en los tejidos que captura cada imagen y de técnicas de extracción de características que describen el contenido de las imágenes; se propone un conjunto de características que describen el contenido de las imágenes a partir de modificaciones propias de la Transformada Discreta de Wavelets y el cálculo de la Matriz de Coocurrencia, donde este conjunto de características propuesto proporcionó un porcentaje promedio de recuperación del 80% en imágenes microscópicas de cuello uterino infectadas con el VPH, sobre las cuales no se conocen sistemas CBIR desarrollados. Finalmente, se determina el porcentaje de recuperación promedio a partir del uso de métricas de similaridad basadas en la norma LP.

The purpose of this work is to report the characterization process implemented to obtain visual descriptors representing visual content of digital images of cervical biopsies infected with Human Papilloma Virus (HPV). Positive biopsies with infected tissues present lesions known as Condyloma Plano Viral. A database of images of cervical biopsies was constructed in addition to the implementation of techniques that enhance the texture information and describe the content of images. This work proposed a set of features to describe the content of images from custom modifications of Discrete Wavelet Transform and the calculation of the Co-occurrence Matrix. This proposed feature set provided an average recovery rate of 80% in microscopic images of the cervix infected with HPV, from which CBIR systems have not been developed. Finally, this work determines the average recovery rate from the use of similarity metrics based on the standard LP.

Neste trabalho é apresentado o processo implementado de caracterização para a obtenção de descrições visuais que representam o conteúdo visual de imagens digitais de biópsias cervicais infectadas com Papilomavírus Humano (HPV), capturadas em lesões de tecidos conhecidas como Condiloma Plano Viral. A partir da construção de uma base de dados de imagens de biópsias do colo uterino, análise e implementação de técnicas de filtragem de características que descrevem o conteúdo das imagems, propõe-se um conjunto de características que descrevem o conteúdo das imagens a partir de modificações próprias da Transformada Discreta de Wavelets e o cálculo da Matriz de co-ocorrência, onde o conjunto de características propostas resultou numa porcentagem média de 80% de recuperação nas imagens microscópicas de colo uterino infectado com o VPH, sobre as quais não se percebe o desenvolvimento dos sistemas CBIR. Finalmente, a taxa de recuperação média foi determinada a partir da utilização de métricas de similaridade com base na indicação de LP.

DESIGN OF A UPPER LIMB REHABILITATION SYSTEM IN VIRTUAL REALITY ENVIRONMENT

Este trabajo describe el diseño y desarrollo de un sistema capaz de adquirir señales electromiográficas de superficie, digitalizarlas y procesarlas en una computadora personal, para ser usadas como control de un objeto de realidad virtual que representa al miembro superior. La clasificación de la intencionalidad del usuario se realiza mediante la configuración y entrenamiento de una red neuronal artificial. Luego se presenta en tiempo real la animación en realidad virtual de los movimientos realizados por el miembro superior. Los resultados para los cuatro voluntarios estudiados, indican una tasa de clasificación positiva en promedio del 75% para cada uno de ellos.

This work presents the design and development of a six-channel system for acquisition and conditioning of electromyographic signals collected in the upper limb. The main objective of the work is to create a system that can be used as rehabilitation and training instrument for potential users of myoelectric prostheses. The software developed perform actions of feature extraction, classifier training and design of the mechanical model of the human arm, with the running movements of flexion, extension, pronation and supination of the forearm and the grasp in a reality environment virtual, providing rehabilitation therapy to different patients.

Este trabalho apresenta a concepção e desenvolvimento de um sistema de seis canais para a aquisição e condicionamento de sinais eletromiográficos coletados no membro superior. O principal objetivo do trabalho é criar um sistema que pode ser utilizado como instrumento de reabilitação e treinamento para os potenciais utilizadores de prótese mioelétrica. O software desenvolvido executar ações de extração de características, o treinamento do classificador e design do modelo mecânico do braço humano, com os movimentos da corrida de flexão, extensão, pronação e supinação do antebraço e do alcance em um ambiente de realidade virtual, fornecendo terapia de reabilitação para diferentes pacientes.