Biomedicinsko inženjerstvo – prošlost, sadašnjost, budućnost

Medicine and health care have changed dramatically in the past few decades and they depend on high technology for prevention, diagnosis and treatment of diseases, and for patient rehabilitation. Modern biomedical research and health care are provided by multidisciplinary teams in which biomedical engineers contribute to the advancement of knowledge equally as medical professions. Biomedical engineering represents one (out of two) the most rapidly growing branches of industry in the developed world [1] (the other are sustainable and renewable energy sources). The new knowledge gained by basic biomedical engineering research (at gene, molecular, cellular, organ and system level) has high impact on the growth of new medical products and boosts industries, including small and medium size enterprises (SMEs). SMEs are expected to bring to the market new products and services for health care delivery [2]. Health is the major theme of the specific Programme on Cooperation under the European Seventh Framework Programme, with a total budget of e6.1 billion over the duration of FP7. The objective of health research under FP7 is to improve the health of European citizens and stir up the competitiveness of health-related industries and businesses, while addressing global health issues, life improving and develop life saving technologies. Hospitals and other medical institutions have a commitment to take care of all kinds of high technology devices including the hospital information systems, networks and their safety and security. Growing technological participation in health services enforces the support of technologically specialized personnel, trained clinical engineers. Worldwide, the educational system has adopted the curricula of biomedical engineering and of clinical engineering. Professional organizations are building certification system for biomedical and clinical engineers and the continuous education (life long learning) structures. The development of biomedical engineering and its affirmation has mainly appeared in the last 50 years, first as a result of development in electronic industry while later it started developing at its own pace. In the first part of this paper, we address the development of biomedical engineering in that period and present our views on the development of biomedical engineering in the future. The second part is devoted to the International Federation for Medical and Biological Engineering (IFMBE), the largest organization of biomedical engineers in the world which celebrated its 50th anniversary in 2009. In the third part, we recall our memories to the founder of biomedical engineering in Croatia, prof. Ante Šantic and his achievements in biomedical engineering, and present the state of art of biomedical engineering research and education in Croatia.Medicina i zdravstvena zaštita su se dramatično promijenile u posljednjih nekoliko desetljeća, i ovise o visokoj tehnologiji za prevenciju, dijagnostiku i liječenje bolesti, i za rehabilitaciju pacijenata. Moderna biomedicinska istraživanja i zdravstvena zaštita osigurava se multidisciplinarnim timovima u kojima biomedicinski inženjeri doprinose unapređenju znanja jednako kao i medicinski stručnjaci. Biomedicinsko inženjerstvo predstavlja jedno (od dvije) najbrže rastuće grane industrije u razvijenom svijetu [1] (druga grana su održivi i obnovljivi izvori energije). Nova znanja stečena temeljnim istraživanjima u biomedicinskom inženjerstvu (na razini gena, molekula, stanice, organa i na razini sustava) imaju velik utjecaj na razvoj novih medicinskih proizvoda i jačanje industrije, uključujući i mala i srednja poduzeća (MSP). Očekuje se da mala i srednja poduzeća na tržište donesu nove proizvode i usluge za zdravstvenu skrb [2]. Zdravlje je glavna tema specifičnog programa o suradnji u okviru europskog sedmog okvirnog programa (FP7), s ukupnim proračunom od 6,1 milijarde eura tijekom trajanja FP7. Cilj istraživanja u području zdravstva u okviru FP7 je poboljšati zdravlje europskih građana i povećati konkurenciju u okviru zdravstvene djelatnosti i industrije, a istovremeno voditi računa o globalnim zdravstvenim problemima, poboljšanju života i razvoju tehnologija za spašavanje života. Bolnice i druge medicinske ustanove imaju obvezu voditi brigu o svim vrstama uređaja visoke tehnologije, uključujući bolničke informatičke sustave, mreže i te o njihovoj sigurnosti. Povećanje udjela tehnologije u zdravstvu proizvelo je potrebu za tehnološki specijaliziranim osobljem, kliničkim inženjerima. Diljem svijeta, obrazovni sustav je usvojio visokoškolske programe biomedicinskog inženjerstva i kliničkog inženjerstva. Profesionalne organizacije su izgradile sustav potvrđivanja za biomedicinske i kliničke inženjere i za njihovo kontinuirano obrazovanje (cjeloživotno učenje). Razvoj biomedicinskog inženjerstva i njegova afirmacija je započela u posljednjih 50 godina, kao rezultat razvoja elektroničke industrije, a kasnije se biomedicinsko inženjerstvo nastavilo razvijati vlastitim tempom. U prvom dijelu ovog rada, govorimo o razvoju biomedicinskog inženjerstva u početnom razdoblju i predstavljamo naše poglede na razvoj biomedicinskog inženjerstva u budućnosti. Drugi dio posvećen je Međunarodnoj federaciji za medicinsko i biološko inženjerstvo (IFMBE), najvećoj organizaciji biomedicinskih inženjera u svijetu koji je proslavila svoju 50. godišnjicu u 2009. godini. U trećem dijelu, podsjećamo se na utemeljitelja biomedicinskog inženjerstva u Hrvatskoj, prof. Antu Šantića i njegova dostignuca u području biomedicinskog inženjerstva. Konačno, predstavljamo sadašnje stanje istraživanja i obrazovanja u području biomedicinskog inženjerstva u Hrvatskoj

Usporedba električkih nadomjesnih shema ljudskog zuba korištenih za mjerenje duljine korijenskog kanala

An accurate determination of the root canal length, which is the most critical procedure in the endodontic treatment of a tooth, is commonly performed nowadays by electronic apex locators which are based on electrical impedance measurements. In this paper tooth impedances were measured in vitro on extracted tooth in alginate material using HP 4284A LCR meter and a specially designed stalk with a micrometer for precise file positioning. In order to develop a more accurate measurement procedure human tooth was modeled by electrical equivalent circuit. Four new equivalent circuits comprising of resistors, capacitors and constant-phase elements were proposed in this paper and compared with four previously suggested circuits. Elements of equivalent circuits were determined by complex nonlinear least squares fitting using LEVM software. Different quality factors were defined to describe the fit quality of a certain equivalent circuit at each file position. The overall fitting efficiency in the region of file positions of interest was calculated as well. A detailed discussion was given on equivalent circuit parameters that can be used to measure the root canal length. Upon these results the most appropriate equivalent circuit was selected and a new measurement procedure was proposed.Točno određivanje duljine korijenskog kanala zuba, što je najkritičniji postupak u endodontskom tretmanu, se uobičajeno danas provodi elektroničkim detektorima apeksa koji se temelje na mjerenju električne impedancije. U ovoj studiji su impedancije zuba izmjerene in vitro na izvađenom zubu uronjenom u alginat. Korišten je HP 4284A LCR metar i posebno izrađeni stalak s mikrometrom za precizno pozicioniranje endodontskog instrumenta u kanalu. U svrhu razvoja točnije mjerne metode ljudski je zub modeliran električkom nadomjesnom shemom. Četiri nove nadomjesne sheme sastavljene od otpora, kapaciteta i elemenata s konstantnom fazom su predložene u ovom radu i uspoređene s četiri ranije predložene nadomjesne sheme. Elementi nadomjesnih shema su izračunati metodom kompleksnih nelinearnih najmanjih kvadrata korištenjem programa LEVM. Definirano je više faktora kvalitete kako bi se usporedilo svojstvo nadomjesnih shema da modeliraju izmjerenu impedanciju na pojedinim položajima endodontskog instrumenta u kanalu. Izračunati su i faktori kojima se uspoređuje sveukupna efikasnost nadomjesne sheme. Detaljno su objašnjeni parametri nadomjesnih shema koji se mogu koristiti za mjerenje duljine korijenskog kanala. Temeljem dobivenih rezultata odabrana je najpogodnija nadomjesna shema te je predložen novi mjerni postupak

Usporedba električkih nadomjesnih shema ljudskog zuba korištenih za mjerenje duljine korijenskog kanala

An accurate determination of the root canal length, which is the most critical procedure in the endodontic treatment of a tooth, is commonly performed nowadays by electronic apex locators which are based on electrical impedance measurements. In this paper tooth impedances were measured in vitro on extracted tooth in alginate material using HP 4284A LCR meter and a specially designed stalk with a micrometer for precise file positioning. In order to develop a more accurate measurement procedure human tooth was modeled by electrical equivalent circuit. Four new equivalent circuits comprising of resistors, capacitors and constant-phase elements were proposed in this paper and compared with four previously suggested circuits. Elements of equivalent circuits were determined by complex nonlinear least squares fitting using LEVM software. Different quality factors were defined to describe the fit quality of a certain equivalent circuit at each file position. The overall fitting efficiency in the region of file positions of interest was calculated as well. A detailed discussion was given on equivalent circuit parameters that can be used to measure the root canal length. Upon these results the most appropriate equivalent circuit was selected and a new measurement procedure was proposed.Točno određivanje duljine korijenskog kanala zuba, što je najkritičniji postupak u endodontskom tretmanu, se uobičajeno danas provodi elektroničkim detektorima apeksa koji se temelje na mjerenju električne impedancije. U ovoj studiji su impedancije zuba izmjerene in vitro na izvađenom zubu uronjenom u alginat. Korišten je HP 4284A LCR metar i posebno izrađeni stalak s mikrometrom za precizno pozicioniranje endodontskog instrumenta u kanalu. U svrhu razvoja točnije mjerne metode ljudski je zub modeliran električkom nadomjesnom shemom. Četiri nove nadomjesne sheme sastavljene od otpora, kapaciteta i elemenata s konstantnom fazom su predložene u ovom radu i uspoređene s četiri ranije predložene nadomjesne sheme. Elementi nadomjesnih shema su izračunati metodom kompleksnih nelinearnih najmanjih kvadrata korištenjem programa LEVM. Definirano je više faktora kvalitete kako bi se usporedilo svojstvo nadomjesnih shema da modeliraju izmjerenu impedanciju na pojedinim položajima endodontskog instrumenta u kanalu. Izračunati su i faktori kojima se uspoređuje sveukupna efikasnost nadomjesne sheme. Detaljno su objašnjeni parametri nadomjesnih shema koji se mogu koristiti za mjerenje duljine korijenskog kanala. Temeljem dobivenih rezultata odabrana je najpogodnija nadomjesna shema te je predložen novi mjerni postupak

Nonlinear Dynamic Model of Tissue Subjected to Electropermeabilization

Cilj istraživanja bio je: (i) razviti matematičke modele električnih i toplinskih pojava u tkivu podvrgnutom djelovanju električnih impulsa kakvi se koriste za in vivo elektropermeabilizaciju i elektrogenski prijenos, i (ii) analizirati mogućnost da mjerenje napona i struje za vrijeme davanja impulsa može poslužiti za aktivno praćenje i predviđanje stupnja elektropermeabilizacije tkiva. Predloženi modeli temelje se na rješavanju odgovarajućih parcijalnih diferencijalnih jednadžbi za raspodjelu električnog potencijala i temperature u tkivu metodom konačnih elemenata u tri dimenzije. Za dvije konfiguracije elektroda (pločaste i par iglastih) provedene su simulacije za različite protokole davanja impulsa uključujući kratke visokonaponske permeabilizacijske impulse i duge niskonaponske elektroforetske impulse i vrednovani su utjecaji specifične električne vodljivosti tkiva (uključujući i anizotropnost, nelinearnost i temperaturnu ovisnost), parametara impulsa (amplituda, broj, trajanje, repeticija), perfuzije krvi i odvođena topline konvekcijom s površine prema okolini na raspodjelu električnog polja i temperature u tkivu te na rezultirajući valni oblik struje. Pored teorijskog rada provedeno je eksperimentalno ispitivanje predloženih modela mjerenjem struje i napona za vrijeme davanja permeabilizacijskih električnih impulsa i to in vitro na gustim suspenzijama stanica B16-F1 i in vivo na jetri štakora. Rezultati proračuna i predložene metode modeliranja i analize donose važne informacije primjenjive za određivanje parametara električnih impulsa i konfiguracija elektroda za elektrotransfekciju, s mogućom primjenom za učinkovitu i sigurnu nevirusnu gensku terapiju, kao i za poboljšanje sadašnjih protokola davanja impulsa za elektrokemoterapiju. Eksperimentalni rezultati ukazuju na mogućnost praćenja stvaranja pora u stvarnom vremenu i predviđanje ishoda elektropermeabilizacije tkiva temeljem informacije dobivene mjerenjem struje i napona za vrijeme davanja impulsa.The aims of this study were: (i) to develop mathematical models of electric and related thermal phenomena in tissue exposed to electric pulses that are used for in vivo electropermeabilization and gene electrotransfer, and (ii) to analyze the possibility that voltage and current measurement during pulse delivery can be used to actively monitor and predict the extent of tissue electropermeabilization. The proposed models are based on the solution of appropriate partial differential equations for electric potential and temperature distribution in tissue using finite-element method (3D FEM). For two configurations of electrodes (parallel plates and two needles) and different pulse delivery protocols, including short high-voltage permeabilizing pulses and long low-voltage electrophoretic pulses, we performed numerous simulations in order to quantify the influence of tissue electrical conductivity (including anisotropy, nonlinearity and temperature dependence), pulse parameters (amplitude, number, duration and frequency), blood perfusion and free air convection from the surface, on the distribution of electric field and temperature in tissue and also on the resulting reaction current. In addition to theoretical work, we also performed experimental tests of our models by measuring current and voltage during delivery of permeabilizing electric pulses in vitro on dense suspensions of B16-F1 cells and in vivo on rat liver. Numerical results and proposed methods of modeling bring important information for the selection of pulse parameters and electrode configuration for DNA electrotransfer with promising application for efficient and safe non-viral gene therapy and also for the improvement of present pulse delivery protocols for electrochemotherapy. Experimental results indicate that voltage and current measurement during pulse delivery can potentially be used for real-time monitoring of pore formation and prediction of electropermeabilization outcome