Formato TC - Facultad de Ingeniería

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Simulación y Emulación Didáctica en
Disciplinas de la Salud e Ingeniería Biomédica
Guillermo Avendaño Cervantes, Universidad de Valparaíso. [email protected]. fono:5632-2686848. 13 Norte 766. Viña del Mar Chile.
Resumen— Actualmente se vive un cambio de paradigma
en la formación y en el entrenamiento de habilidades motoras
y cognitivas por medio de la utilización de simuladores y
emuladores.
En la formación de destrezas en el campo de la salud, se
están incorporando en las escuelas de Medicina, Enfermería,
Odontología, Tecnología Médica y Paramédica, diferentes
dispositivos destinados a sustituir a los pacientes; desde las
operaciones más simples como la colocación de inyecciones en
maniquís de brazos,
hasta los complejos eventos de
telecirugía, pasando por los procesos de partos interactivos
con equipos avanzados, los cuales simulan condiciones muy
cercanas a las reales.
El trabajo analiza y demuestra la ventaja didáctica de usar
simuladores de diferente naturaleza tanto en el apoyo a la
docencia médica y paramédica, como en la propia especialidad
de la Ingeniería Biomédica. postulando que las ventajas
mencionadas son efectivas, que desarrollar y usar simuladores
constituye una práctica altamente beneficiosa tanto en lo
didáctico como en lo económico, ya que el hecho de contar con
simuladores permite masificar una didáctica que de realizarse
con medios técnicos reales (equipos comerciales de uso
hospitalario), significaría hacer altas inversiones
El documento consta de tres partes, la primera analiza las
ventajas y desventajas de la simulación, la segunda los
dominios y clasificación internacional de los simuladores y la
tercera muestra el desarrollo de simuladores propios hechos
en la Universidad de Valparaíso
Palabras clave— Simulación, emulación, didáctica 3
términos separados por coma.
I. INTRODUCCIÓN
E
n los últimos decenios se han producido cambios de
paradigma en la formación y entrenamiento de
habilidades motoras y cognitivas con la utilización de
medios tecnológicos en diversas profesiones, Es conocida
la utilización de simuladores de vuelo, con ellos los futuros
pilotos de aeronaves se entrenan adecuadamente antes de
dirigir aviones reales. Se ha dado un transito desde la
utilización eventualmente riesgosa de equipamiento real
hacia la creación de dispositivos que simulan o emulan la
función de los sistemas verdaderos.
Esta situación no podía ser diferente en la formación de
destrezas en el campo de la salud, por lo cual gradualmente
se están incorporando en Medicina, Enfermería,
Odontología, Tecnología Médica y Paramédica, diferentes
dispositivos destinados a sustituir a los pacientes; desde las
operaciones más simples como la colocación de
inyecciones en maniquís de brazos, hasta los procesos de
partos interactivos complejos [1] con equipos avanzados
con los cuales se simulan condiciones reales.
El famoso maniquí "Harvey" de la Universidad de Miami
permite la palpación, auscultación, y electrocardiografía.
Existen otros simuladores antropomorfos famosos, como el
español Celedonio, simulador quirúrgico de medio millón
de euros, los franceses Noelle y BirthSIM que simulan
partos en todas sus variedades, al igual Xochitl creada en
México y los productos de unas 20 empresas comerciales
japonesas, norteamericanas, chinas, brasileñas y alemanas,
Actualmente existen simuladores didácticos de tal
variedad que ha hecho necesario desarrollar formas de
clasificación de los diferentes tipos de sistemas creados
para enseñar aspectos teóricos, experiencias prácticas,
hacer capacitación, emular condiciones de trabajo clínico y
otras aplicaciones de gran utilidad.
II.
A.
CONCEPTOS UNIVERSALES DE LA SIMULACIÓN
Importancia y ventajas de la simulación
La importancia de la simulación está en el desarrollo
de nuevas formas didácticas con varias grandes ventajas
a) Eliminación o reducción de la yatrogenia, es decir,
el uso de pacientes virtuales, robóticos o maniquís,
permite efectuar maniobras que de ser realizadas
con pacientes reales podrían provocar daños
adicionales a los que ya padecen.
b) Reducción de costos en la enseñanza por la
utilización de equipos emuladores con las mismas
propiedades a una fracción de los costos de los
equipos reales.
c) Cobertura de casi todos los casos clínicos posibles,
los cuales pueden programarse totalmente en los
sistemas, ya que en la vida real ciertos casos o
patologías no se presentan frecuentemente.
d) Reiteración ilimitada, En la enseñanza directa
convencional, el profesor generalmente explica
una sola vez cada tema, mientras que en el uso de
la simulación la reiteración no asistida por el
docente, permite un aprendizaje por recurrencia.
e) Posibilidad de uso asincrónico, El estudiante
puede usar los medios de simulación en forma
diferida y cuando tenga temporalmente las mejores
condiciones para su aprendizaje.
f) Supervisión permanente, el estudiante puede -en la
mayoría de los casos- consultar con el sistema
simulador y realizar ensayos que le permitan
aclarar sus conceptos.
g) Reducción
del
uso
de
animales
de
experimentación, dado que existe un creciente
rechazo al uso y sacrificio de animales de
experimentación, la simulación hace que esta
práctica puede reducirse y hasta eliminarse.
2
h)
i)
Eliminación del uso de individuos sanos como
medio didáctico, disponer de simuladores evita la
frecuente práctica de probar equipos, o usar a
individuos sanos como sujetos de prueba.
Autoevaluación, con los simuladores el estudiante
generalmente puede realizar exámenes de sus
conocimientos en el tema particular de estudio y
volverlas a realizar si sus resultados no son
satisfactorios.
B. Clasificación de los simuladores
La experiencia desarrollada hasta la fecha ha llevado a
clasificar los diferentes tipos de simuladores según dos
corrientes internacionales, la primera es especialmente
funcional [2] y clasifica los simuladores como:
1) Simuladores instrumentales que sustituyen a
pacientes: Para la docencia o para la calibración de
dispositivos.
2) Simuladores funcionales y anatómicos: Son los
maniquís antropomorfos o los llamados fantomas
multifuncionales usados en diversos procesos
diagnósticos quirúrgicos o terapéuticos.
Una
subdivisión de estos simuladores son los destinados
a la enseñanza de un solo tipo de procedimiento,
como introducir un catéter, poner inyecciones,
entubar,
conectar
un
electrocardiógrafo,
electrodescargas con desfibrilador, etc.
3) Simuladores de instalaciones: Destinados a la
enseñanza de buenas prácticas de desarrollo y
construcción, así como la aplicación de criterios y
medidas de seguridad.
4) Simuladores virtuales de procesos biológicos o de
pacientes y dispositivos: Como los simuladores de
procesos anatómicos en forma bidimensional o en
su forma tridimensional para docencia biomédica
no
procedimental, como los
simuladores
de
función
renal, del aparato circulatorio, procesos
internos del
organismo como la respuesta a fármacos.
etc.
5) Entrenadores de manipulación: Creados para uso
en laparoscopia, los dispositivos para la práctica
de cateterismo o los entrenadores de telecirugía.
Esta
variedad combina tanto formas
instrumentales
como virtuales, incluyendo
“Realidad Aumentada”.
La segunda clasificación [3] es de acuerdo a la
complejidad de las prestaciones al usuario (grado de
interacción) y se identifica con un número de letras P: P1
(Paciente), P 2 (Procedimiento), P3 (Profesional) y P4
(Profesor), siendo el nivel más completo el que incorpora
las cuatro P (P1P2P3P4). A esta clasificación se agrega el
concepto de: pa= elemento pasivo, ac= elemento activo e
in= elemento interactivo.
Un simulador "P1 o P" puede ser un modelo anatómico,
Estos pueden ser pasivos, activos, o interactivos basados en
el nivel de entrenamiento requerido. La ventilación boca a
boca y la compresión de pecho se considera un simulador
pasivo P1. Modelos más avanzados pueden simular heridas,
o sus resultados tales como un neumotórax. Si la herida
simulada sangra o hay movimiento de aire, entonces sería
un simulador P1a.
Un simulador “P2 o PP” consta de un maniquí en
combinación con un programa computarizado que simula
un proceso o función En este caso, tanto el paciente como
la prueba de diagnóstico son simulados, es entonces un
simulador (P1a hacia P2a). Si la parte del proceso del
simulador ha sido programado para responder a la
administración de medicamentos, entonces sería simulador
(P1a hacia P2i).
Un simulador “P3 o PPP” se tiene cuando usando un
programa de posicionamiento tridimensional, la unidad
guía al estudiante en las habilidades necesarias para obtener
ecografías o el seguimiento de una cateterización por
fluoroscopia, también puede ser un sistema de cirugía
laparoscópica interactiva.
Un simulador “P4 o PPPP.” Es un sistema experto, con
todos los elementos de la interacción clínica representados.
También podría ser usado para evaluar el funcionamiento
de otros simuladores o herramientas de diagnóstico.
III. SIMULADORES CREADOS EN LA
UNIVERSIDAD DE VALPARAISO
El Departamento de Ingeniería Biomédica de la
Universidad de Valparaíso (DIB-UV) ha desarrollado en
alianza con el Depto. de Diseño de la Facultad de
Arquitectura, un conjunto de proyectos para el desarrollo
de simuladores con diversos propósitos, se han creado
simuladores para Seguridad Hospitalaria (Electromédica y
de Gases Medicinales), Simuladores de Electrocardiografía,
Simuladores de equipos de RMN, Se está trabajando en
Simuladores de Ultrasonido Cardiológico y se utilizan en la
docencia programas simuladores de anestesia, de
ventilación y de biopotenciales, así como emuladores de
diagnóstico electrocardiográfico.
El primer desarrollo es un simulador destinado no sólo
a la docencia sino también a la calibración de equipo
cardiológico, el equipo patentado (CORGA II) genera
ondas de EKG normales a varias frecuencias y algunas
patologías como fibrilación ventricular, infarto, taquicardia
paroxística.
Fig. 1. Evolución del simulador de EKG CORGA II.
Desde una versión inicial hasta un producto
perfeccionado se ha logrado crear con este producto una
incipiente industria a partir de una empresa (BIORAD
Ltda.) [4], auspiciada por la Universidad de Valparaíso.
Otro desarrollo del DIB-UV es un sistema simulador del
funcionamiento de equipos radiológicos y de terapia por
altas energías, para el estudio de las medidas de seguridad
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en el manejo de radiaciones ionizantes en un ámbito
hospitalario.
Fig. 2: Simulador de funcionamiento de TAC para didáctica de
Seguridad en Radiología.
Otro sistema simulador, desarrollado para la enseñanza
de la Seguridad contra Incendios en Hospitales, permite
estudiar los tipos de incendios, las características de los
materiales, la ignifugación, los efectos del calor en los seres
humanos, la creación de áreas compartimentadas, los
medios de extinción y evacuación y muchos otros procesos
relacionados con el diseño y la gestión hospitalaria
vinculada a las medidas para evitar los incendios.
Fig. 4: Simulador de cálculo de volúmenes y áreas sobre imágenes
ultrasónicas.
El segundo sistema se basa en aplicar el Software
desarrollado por la cooperación del Instituto de Cardiología
de la Universidad Estatal de Tomsk (Rusia), a un maniquí
antropomorfo que activa imágenes sobre puntos
específicos.
Fig. 5: Simulador de ultrasonocardiografia diagnóstica con transductor
en puntos estándar de visión
Fig. 3: Simulador para Seguridad contra incendios
La simulación de equipo ultrasónico cardiológico
permite enseñar a utilizar y diagnosticar por
ecocardiografía sin tener que adquirir equipo real de alto
costo. Están en desarrollo dos sistemas háptico virtuales,
uno utiliza vistas anatómicas cardiacas desde cualquier
proyección relacionadas con la posición de un pseudo
transductor que se desplaza libremente sobre un fantoma
que emula a un paciente real, el otro sistema relaciona la
posición del transductor en puntos de acceso estandarizados
con imágenes ultrasónicas reales y dibujos de las
proyecciones correspondientes a dichos puntos.
El primer sistema consta de un sistema virtual que
permite hacer mediciones sobre imágenes fijas en modo B
y en modo M, las cuales están ya desarrolladas y probadas,
(ver fig.4).
También para fines docentes en seguridad hospitalaria
fueron creados
los paneles correspondientes a la
instalación eléctrica de un quirófano y una instalación de
gases medicinales, con ellos se pueden enseñar las formas
correctas de hacer las instalaciones [5] y provocar fallas o
emular condiciones anómalas de funcionamiento.
El panel de instalaciones electromédicas cuenta con
todos los requerimientos para la realización de instalaciones
convencionales como las TT, TCN y sobre todo tipo IT,
posee transformador médico real, monitor de aislamiento
profesional y una serie de aditamentos que simulan equipos
médicos, así como un instrumento medidor de todas las
corrientes de fuga que pueden presentarse. El sistema
permite la provocación de fallas [6] y la determinación de
las fugas que pueden circular sobre un eventual paciente o
por los conductores de protección y de equipotencialidad.
4
IV. CONCLUSIONES
Fig. 6: Simulador de instalación electromédica de un quirófano
Se ha desarrollado también un simulador de la consola
de control de un equipo
de RMN [7], destinado
básicamente para el uso de los estudiantes de Tecnología
Médica, especialidad profesional que en Chile habilita para
realizar exámenes de RX, TAC, Medicina Nuclear [8] y
RMN a los pacientes, de manera que puedan aprender a
utilizar los equipos sin tener necesariamente que acceder a
estos escasos dispositivos de alto costo, el contar con este
software, permite el aprendizaje eficaz ya que opera en
forma similar a un equipo incluyendo la adquisición
simulada de imágenes.
El uso de simuladores comerciales de diferentes
disciplinas como Electrocardiografía [9], Ventilación,
Anestesia [10], Espirometría, Fisiología, etc. es altamente
conveniente para lograr resultados importantes en docencia
especializada, lo que se ha demostrado en las evaluaciones
de los estudiantes de Ingeniería Biomédica en el DIB- U.V.
antes y después de usar los simuladores como recurso
didáctico (estudio de próxima publicación). Por otra parte
crear simuladores Ad-Hoc para complementar la enseñanza
teórico práctica ha demostrado ser de gran utilidad sobre
todo en los aspectos prácticos del aprendizaje, por ejemplo
el uso de las consolas de seguridad electromédica y de
gases unida a los dos sistemas virtuales correspondientes y
los simuladores de manejo de radiaciones e infecciones
intrahospitalarias, potencian el aprendizaje no sólo por la
reiteración de la ejercitación, sino también por el aporte a la
cognición que produce tener sistemas que acercan
notablemente al estudiante a las situaciones reales de los
equipos y las infraestructuras hospitalarias.
Una última aplicación, aunque de no menor importancia
es el uso de simuladores en la calibración y prueba de
equipos médicos, como la que se logra con los simuladores
de carga de desfibriladores, de pacientes generando señales
de EKG, fantomas para calibración de equipos de
radiología y medicina nuclear y otros que sustituyen
adecuadamente a los pacientes verdaderos.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
Fig. 7: Software simulador de la consola de mando de un equipo de RMN
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Fig. 8: Comparación de imágenes reales y simuladas
K. Kunkler, “The Rol of Medical Simulation” The International
Journal of Medical Robotics and Computed Assisted Surgery Vol.
2,.pp. 203-210, 2006.
D.M Gaba, “The future Vision of Simulation in Health Care” Qual
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G. Meller. “Typology of Simulators for Medical Education” (Reprint
de Journal of Digital Imaging, de acceso en internet por
http//www.medsim.com/article1.html.) Agosto 1997
G. Avendaño, M Vera, “Desarrollo de Equipos Médicos e
Instrumentos para Calibración y Seguridad de Tecnología
Biomédica” Postulación de Perfil a Capital Semilla CORFOCHILE, 2005.
A. Ankelen, C. Muñoz “Desarrollo de Laboratorio Real de Didáctica
en Gases Respiratorios” Tesis para obtener el Título de Ingeniero
Biomédico, Depto. de Ingeniería Biomédica. Universidad de
Valparaíso Agosto 2008.
V. Iriarte y C. Durán “Diseño y Construcción de Módulo Didáctico
de Seguridad Electromédica de Instalaciones Eléctricas Hospitalarias
en Salas de Intervención”. Tesis para obtener el Título de Ingeniero
Biomédico, Depto. de Ingeniería Biomédica. Universidad de
Valparaíso Enero 2006.
R. Astudillo “Desarrollo de Consola de Simulación de Adquisición
de Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear” Tesis para obtener
el Título de Ingeniero Biomédico, Depto. de Ingeniería Biomédica.
Universidad de Valparaíso Agosto 2007.
P. Mourguez. Desarrollo de Módulos Didácticos para Seguridad en
el Manejo de Radiaciones en Hospitales” Tesis para obtener el
Título de Ingeniero Biomédico, Depto. de Ingeniería Biomédica.
Universidad de Valparaíso. 2003
http://www.ecgsim.org
http://vam.anest.ufl.edu
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