UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO S ANTA M ARIA IÑA DEL M AR SEDE V IÑA JOSÉ MIGUEL C ARERA
SEGUNDO LLAMADO A PRESENTACIÓN DE PROYECTOS MODALIDAD “MERCADO – “MERCADO – PRODUCTO PRODUCTO – – PROYECTO” PROYECTO”
, ES UN SISTEMA ELECTRÓNICO DISEÑADO A BASE DE UN MICROCONTROLADOR , PARA LA MEDICIÓN OBJETIVA DE DE CARGA EN EXTREMIDADES INFERIORES EN PACIENTES QUE REALIZAN TRATAMIENTO DE KINESITERAPIA, DEBIDO A DIVERSAS AFECCIONES TRAUMATOLÓGICAS COMO OSTEOSARCOMAS, PRÓTESIS DE CADERAS Y FRACTURAS. SISTEMA INNOVADOR QUE PERMITE, MEDIANTE INTERFAZ GRÁFICA, CORREGIR Y OPTIMIZAR EJERCICIOS DE CAMINATA TERAPEUTICA DE FORMA COMODA Y EFICIENTE Y SEGURA.
: SR . CRISTIAN G ÁLVEZ S AN M ARTÍN. A UTOR UTOR E VALUADOR : SR . LUIS HEVIA. : INGENIERÍA DE E JECUCIÓN EN C ARRERA CONTROL E INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
K-SENSOR 1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA E IDEA DE PRODUCTO. A) PROBLEMA CONCRETO A RESOLVER CONSIDERANDO PARTICIPANTES GENERALIDADES
En Chile el tratamiento conservador del osteosarcoma1 es medianamente joven. En la década de los 80 grupos de Médicos instruidos en Europa y Estados Unidos implantaron en nuestro país la novedosa práctica de la extirpación de tumores óseos conservando parcialmente el hueso afectado. El defecto producido por la falta de una parte ósea en el hueso dañado se suple gracias a la implantación de un aloingerto2 el cual se puede apreciar en la figura 1. Por razones naturales y propias del paciente esta prótesis Figura 1: orgánica tarda en consolidarse con la pieza original ya que el 3 Prótesis Ósea proceso de generación de traveculas es sumamente lento. En consecuencia, la terapia a seguir debe ser muy cuidadosa debido a las propiedades de la estructura compuesta por el hueso mutilado y el aloingerto. La rehabilitación se compone de ejercicios específicos y carga progresiva de la pierna afectada. El progreso de esta carga se establece mediante un largo plan de trabajo y constituye cierto porcentaje del peso corporal del paciente. Cabe destacar que la terapia de carga proporcional en defectos de extremidades inferiores es amplia, debido a la existencia de otras dolencias como; fracturas de Fémur y Tibia, prótesis de cadera, y crecimiento forzado de huesos. Si el trabajo de carga en estos pacientes es poco cuidadoso se puede alcanzar serios daños a las traveculas existentes en la unión del hueso mutilado y la prótesis orgánica causando un retroceso en la rehabilitación. (1.- Tipo de Cáncer Óseo 2.- Prótesis orgánica de cadáver 3.- Estructura que se forma en las fracturas óseas como medio de reparación natural) PROBLEMA CONCRETO
leyente:
Para entender de manera exitosa el problema, se realiza la siguiente pregunta al
¿Usted puede cargar un 20% de su peso corporal, con la pierna izquierda e indicar cuando llega al nivel correspondiente?
Si la respuesta de esta pregunta se torna dificultosa, será más difícil aún en una persona con problemas traumatológicos. El problema se fundamenta en el poco control que tenemos para la regulación de carga en nuestras extremidades inferiores, además, el problema se acentúa más ya que las características de los medios existentes en organizaciones de rehabilitación y kinesiología 2
K-SENSOR para medir la carga progresiva de extremidades inferiores son ineficientes. Los “instrumentos” que se ocupan para estos fines son poco objetivos, ya que son implementos que cumplen funciones muy lejanas a la kinesiología. Este ámbito debe recibir una optimización, debido a que el paciente no puede alcanzar la objetividad al desarrollar la carga progresiva de su extremidad afectada, lo que se traduce en tiempo perdido de sesiones de kinesiterapia, desaliento del paciente, perdida de desarrollo travecular y en casos extremos la fractura de la pieza ósea. (Véase figura 2 ) Los aspectos técnicos más sobresalientes son: •
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El paciente no puede realizar un ejercicio de caminata con Figura 2: Falla en prótesis carga progresiva estipulada. Es muy difícil entender la carga de la extremidad inferior de forma progresiva y porcentual, respecto al peso corporal. La “técnica” existente en organizaciones como el Instituto Traumatológico de Chile, IST en Viña del Mar y Hospital del Cáncer en Santiago es tan simple e ineficiente como pisar una báscula hasta llegar al porcentaje determinado por el médico tratante.
Hoy en Chile existe una cantidad aproximada de 4000 personas por año afectadas por distintos tipos de cánceres óseos, estos pacientes cumplen, de forma optimista, 1 a 2 años de rehabilitación. Según kinesiólogos del Hospital Traumatológico de Santiago de Chile, organización con más actividad traumatológica en Chile, admiten que el sistema que poseen para medir carga progresiva no es objetivo y no conocen un implemento para el caso particular, además, expresan que la elaboración de un implemento electrónico que compense esta falencia sería muy buen aporte para el trabajo de rehabilitación en los pacientes. Este punto es respaldado por una encuesta realizada a dos kinesiólogos, con vasta experiencia en el tema en este instituto de salud (Véase hoja Anexo1). Por otra parte, los pacientes en tratamiento sienten esta falencia ya que es difícil, incluso en las personas saludables, poder sentir y entender como porcentaje la cantidad exacta de carga que se está aplicando en cada paso al caminar. Cada paciente en rehabilitación ha gastado, de forma directa o indirecta, una cantidad mínima de tres millones de pesos Chilenos en una prótesis ósea, siendo éste un gasto significativo, se hace necesario el buen termino de este proceso evitando nuevas complicaciones como fracturas o una falla estructural de los implementos ortopédicos. Es una realidad que las operaciones de aloingertos en primera instancia fallen debido a fracturas, por consolidación negativa del injerto óseo, deterioro de traveculas o fatiga de material ortopédico como placas de titanio. También, es una realidad que estos factores negativos mencionados se producen, en la mayoría de los casos, por la carga inapropiada del paciente con relación al nivel de consolidación de la prótesis orgánica. Sobre instrumentos que puedan registrar cantidad de carga o fuerza aplicada por las extremidades inferiores pueden mencionar:
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K-SENSOR Sistemas de alta tecnología para deportistas de alto rendimiento como los existentes en dependencias del C.A.R. (Centro de alto rendimiento) pero estos instrumentos no son compatibles para los requerimientos de los organismos dedicados a la kinesiterapia. Existe un instrumento para terapia kinesiológica en este ámbito, que no fue encontrado en ningún establecimiento sondeado. Elaborado por Sammons Preston. (Tema será mencionado en punto 2A ) Es importante resaltar la condición negativa que existe en los kinesiólogos, respecto al conocimiento de algún sistema dedicado para la solución del problema planteado. •
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B) IDEA GLOBAL DEL PRODUCTO
Buscando una solución del problema planteado, se piensa en un sistema de control electrónico que, arbitrariamente, recibe por nombre K Sensor. Dicho dispositivo debe poseer cierta capacidad inteligente para poder programarlo ayudando al paciente en su rehabilitación. Este dispositivo electrónico cumple con las siguientes características: DESCRIPCIÓN GENERAL K-Sensor se compone esencialmente de un bloque principal o etapa lógica, capaz de interpretar cargas o presiones físicas generadas por el paciente en su rehabilitación. Estas magnitudes son procesadas y transformadas a formato binario, el cual incorpora una unidad conversora Análogo/ Digital. Una vez obtenidos estos datos se podrá realizar cualquier tipo de operación, como el cálculo del porcentaje y comparaciones de referencia indicada por el terapeuta. A medida que el paciente realiza la carga en la pierna afectada el sistema detectará esta magnitud ejercida y una vez que ésta sea igual a la programada previamente por el médico tratante, el sistema se lo indicara al paciente mediante un tono sonoro. Si existe algún paciente con problemas de audición esto se solucionará con un sistema visual que, mediante barras de luz podrá indicar la progresión de la carga. Los datos serán entregados por dos plantillas que usará el paciente las cuales serán capaces de medir, de forma objetiva, la progresión de carga en la pierna afectada, además, estas plantillas tomaran los datos en una situación real ya que el paciente realizará sus ejercicios de caminata con carga progresiva sin ningún impedimento y no de forma estática. La transducción de la magnitud de presión a un formato eléctrico podrá ser realizada por sensores de presión de líquidos o strain gages, estos elementos serán descritos en sección 3A. K Sensor será un implemento electrónico amistoso ya que el kinesiólogo o médico que lo utilice debe manejar los datos de cada paciente y deberá programar distintos tipos de porcentaje de carga. Este sistema se puede optimizar, ya que los datos obtenidos de cada paciente se podrían transferir a una base de datos en un computador personal y así el paciente podría recibir informes de su evolución clínica. Más que interpretar a K Sensor como un implemento para la medición de carga en los pacientes, este proyecto se debe concebir como el inicio en la elaboración de instrumentos electrónicos para la kinesiología, ya que se podría ampliar en la medición objetiva de trabajo para los pacientes afectados en brazos, manos, piel y otros. 4
K-SENSOR A continuación se entrega en la figura 3 una representación general del sistema
UNIDAD SONORA
UNIDAD DIGITAL
01010
UNIDAD SENSORA DE PRESION
Figura 3: Representación general del sistema
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K-SENSOR 2. ESTUDIO INICIAL SOBRE EL MERCADO A) PUBLICO OBJETIVO Y COMPETENCIA EXISTENTE
Sobre los pacientes que requieren este sistema como herramienta para la rehabilitación se puede mencionar que: Ya se aludió en el punto 1 la cantidad de personas que presentan patologías de cánceres óseos, hoy en nuestro país es de aproximadamente 4000 personas. Además, se puede mencionar sobre los tratamientos de prótesis de cadera, que estas intervenciones son significativas, ya que desde la fundación del banco de huesos de la Clínica Alemana en 1994, los requerimientos de prótesis para esta operación han sido de 200 unidades, sólo para un segmento de personas, por lo tanto, los pacientes de operaciones por prótesis de cadera son un conjunto amplio. (Véase www.alemana.cl/not/not/not011011.html ). Otro de los factores que asegura una gran cantidad de pacientes que requieren un tratamiento de carga progresiva, es el termino de la vida útil de las prótesis injertadas. En el aloingerto se presenta una vida útil de 5 a 20 años aproximadamente y en las prótesis de cadera es de 15 años. Esto implica que, después de estos periodos, los pacientes se verán forzados a un tratamiento similar después de su recuperación. (Véase http://contacto.med.puc.cl/varios/martes_uc/conferencia_liendo.html )
Sobre las fracturas de Fémur no hay mucho que mencionar ya que es una dolencia ordinaria. El 90% de las fracturas en caídas de personas de edad presentan fracturas de Fémur. Otro dato recopilado tiene lugar en el Hospital de Temuco, se presentan sobre 32 casos de fracturas de este tipo sólo en este hospital en el año. (Véase hoja Anexo2 ) (Véase www.med.ufro.cl/estudiantes/ enfermeria/clases/taller-fractura.ppt )
En consideración a los datos expuestos, que forman una pequeña parte del total de casos, se puede apreciar que la población potencial en el uso de K Sensor es notable. Otra de las consideraciones es la cantidad de establecimientos hospitalarios que requieren de este aparato. Sólo en Santiago existen 29 Hospitales que podrían ser potenciales compradores de K Sensor . SOBRE LA COMPETENCIA EXISTENTE EN EL MERCADO
La competencia más cercana y barata que existe en el mercado son las “Básculas para baño”. Aunque suene ridículo, esta es la “técnica” que se utiliza hoy en el hospital más importante, respecto a traumatología, en Chile. El paciente carga con su extremidad defectuosa la báscula hasta alcanzar el porcentaje de peso corporal requerido por el especialista. A diferencia de K Sensor , la solución mencionada tiene como defecto: • • •
Poca objetividad. Trabajo estático. Pobre imagen para la organización terapéutica.
La competencia más cercana, de forma técnica, es el instrumento creado por Sammons Preston ( www.sammonspreston.com ), este instrumento es un zapato que mezcla diseño mecánico y electrónico, el cual se ajusta a cierta presión. Una vez alcanzada esa presión, emite un tono constante de sonido. 6
K-SENSOR La información recopilada sobre esta solución demuestra que: • •
Es muy poco conocido. El instrumento entrega un tono sonoro “cuando se alcanza el porcentaje deseado”.
Sobre el segundo punto radica la primera diferencia entre K Sensor y el producto ofrecido por Sammons Preston. La solución de ésta empresa se comporta como un control on-off, sólo indica cuando llegó al peso deseado. K Sensor indicará la posible cercanía del peso deseado con la variación de un tono. A mayor cercanía del peso estipulado se produce aumento de tono, al alejarse del peso deseado, disminuirá el tono hasta el silencio. Otra de las diferencias que hace más integro a K Sensor , es la incorporación de comunicación con un computador para registrar el trabajo del paciente. El personal tratante podrá dejar solo al paciente trabajando y luego revisar los datos para verificar el ejercicio realizado por él. B) VALOR AGREGADO QUE POSEE K Sensor
Los puntos más innovadores en este proyecto son: Imagen en la organización terapéutica y mayor desempeño tecnológico. Mediante la comunicación de K Sensor con un computador, se podrá imprimir gráficos del trabajo del paciente, donde éste último podrá cuantificar su trabajo y la organización adoptará mayor realce en sus instrumentos terapéuticos. Mayor estimulo en los pacientes Gracias al punto anterior, el paciente podrá entender mejor su terapia viendo los gráficos de sus sesiones. Mayor objetividad y comprensión. Como ya se mencionó, K Sensor no trabajará como un control on-off al detectar la carga programada por el terapeuta. Esta información será progresiva, es decir, a medida que la carga del paciente se acerca a la estipulada por el terapeuta, el tono indicador variará su frecuencia proporcionalmente a la variación de carga. Mayor confiabilidad. Ya que existe un enlace con un computador, se puede alcanzar mayor confiabilidad, en el manejo de datos, gracias al poder que entrega la programación. (corrección de errores, manejo de base de datos y otros) Comodidad K Sensor no es un zapato, será una plantilla o algo similar, dando más comodidad al paciente.
Con relación a las soluciones usadas en hospitales, mencionadas de forma anterior como el caso de la báscula, las diferencias son muy grandes. El interés por este proyecto que existe en kinesiólogos se ve reflejado en la hoja de Anexo1. 7
K-SENSOR 3. PROYECTO A FORMULAR QUE PRETENDE RESOLVER EL PROBLEMA A) VISUALIZAR ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN DEL PROBLEMA, SELECCIONANDO MEJOR ALTERNATIVA
Seguir con el sistema de báscula. Esta solución se presenta si el presente proyecto no se lleva a cabo, si la organización terapéutica no se interesa en la innovación tecnológica o el proyecto no es factible económicamente. Esta solución sigue siendo la menos eficiente, poco confiable, la más vulgar de las posibles y la menos objetiva existente.
Implementar el sistema de Sammons Preston. Esta solución puede ser implementada, pero la deficiencia que posee es la mencionada de forma anterior. Es un control on-off, por lo tanto, la señal que entrega al paciente es pobre con relación a la propuesta por K Sensor. No posee forma de graficar los datos tomados en la terapia. Esta solución, existiendo presupuesto, no fue implementada en Hospital IST de Viña del Mar. Implementar el sistema de K Sensor.
Este proyecto se evalúa como el más optimo por características descritas en puntos anteriores, como mayor potencial tecnológico, más objetivo que las dos soluciones antepuestas y posee mayor confiabilidad. La incorporación de comunicación serial con el computador hace a esta solución poseedora de mayor potencial en manejo de datos y rapidez en cálculos. Además, esta incorporación abre una ventaja para variadas aplicaciones que no se dan en las anteriores. En esta solución existen 2 posibles métodos de medición que se diferencian en el tipo de transductor que se ocupará, strain gage o sensor de fluido. El PC deberá tener una interfaz gráfica para monitorear datos. Todas estas etapas serán explicadas de mejor manera en el punto 3D. B) ESTIMACIÓN DE FACTIBILIDAD DE SOLUCIÓN PROPUESTA
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La factibilidad que posee este proyecto es alta ya que: En nuestro país existe tecnología necesaria para la elaboración de todo el sistema. Existe formación necesaria para manejo de microcontroladores y diseño electrónico. Existe formación para crear interfaz gráfica deseada. El interés de los terapeutas es significativo, según hoja anexo1. Hoy se están implementando modificaciones en sector terapéutico de hospitales públicos, con asignación de recursos por plan AUGE. Este sector ha manifestado interés por nuevas tecnologías kinesiológicas. 8
K-SENSOR C) RESPECTO AL PRODUCTO A GENERAR IDENTIFICAR: OBJETIVOS GENERALES Y OBJETIVOS ESPECIFICOS A LOGRAR.
Objetivos Generales •
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Crear elemento electrónico que aporte objetividad en ejercicios terapéuticos, como carga proporcional. Lograr realizar comienzo de una empresa involucrada en equipos electrónicos para kinesiología. Crear instrumento que aporte más calidad al sistema de salud.
Objetivos específicos. •
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Lograr experiencia en programación de Microcontroladores y aplicaciones de este elemento como; Comunicación serial con PC, manejo de interrupciones y timers, manejo de display y teclado. Lograr experiencia en la creación de programas de microcontrolador en lenguaje C. (Compilador cruzado) Realizar interfaz gráfica amistosa para la aplicación. Crear comunicación de datos entre PC y Microcontrolador. Crear un sistema que logre interpretar porcentajes de cargas físicas en diferentes tipos de tonos.
D) DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PRODUCTO RESULTANTE A GENERAR POR EL PROYECTO. Diagrama en bloques. Display
Teclado
Conversor Análoga A Digital
Sensor Srain Gage
Microcontrolador
TX de Radiofrecuenc ia
PC
RX de Radiofrecuencia
Sensor
de presión
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K-SENSOR Descripción de etapas LA ETAPA DIGITAL está compuesta por un Microcontrolador Atmel 89c55, el cual posee 20K de memoria E2PROM en la cual se almacenará programa que realice la aplicación deseada, 7 Interrupciones externas, 3 Timers entre otras características. Este dispositivo administra un teclado y un display para el manejo de datos y operaciones que realice el usuario. Esta etapa administra el conversor análogo digital que toma los datos desde el sensor de presión. Además, está conectado a un transmisor de Radio frecuencia para la comunicación con el computador. LA ETAPA SENSORA DE PRESIÓN puede ser elaborada de dos maneras: Mediante estampillas de deformación o Strain Gage, las cuales al deformarse transducen esta magnitud física a un formato eléctrico. (Ver figura 4 ) Otra opción es por sensores de presión, los que funcionan por sistema piezoeléctrico. (Ver Figura 5 ) Cualquiera de estas alternativas deberá estar introducida en la plantilla para detectar el peso o la carga ejercida por el paciente. •
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LA ETAPA SONORA será sólo un auricular que estará conectada a la etapa digital, la cual le proveerá de tonos audibles. Consta de etapas de preamplificación y de eliminación de ruido. COMPUTADOR. Este elemento debe tener incorporado una interfaz gráfica que pueda recibir datos desde la etapa digital y graficarlos.
Figura 5: Sensor de Presión Piezoeléctrico
Figura 4: Strain Gage
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K-SENSOR E) IDENTIFICACIÓN DE PLAN DE ACTIVIDADES Plan de actividades
Se inicia el proceso de recopilación de información, programas elaborados e informes previos una vez entregado las correcciones del presente proyecto. Además, se inicia diseño de la plataforma (Entiéndase por plataforma a la unión de las etapas del diagrama de bloques) 30 de Agosto. Diseño de plataforma principal, que involucra etapa digital, Etapa sonora y etapa sensora de presión. Inicio de creación de interfaz gráfica. •
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30 de Septiembre Diseño completo de plataforma y conexión vía radio frecuencia con computador. Inicio de análisis de costos. • •
30 de Noviembre Corrección de diseño e interfaz gráfica. Corrección de análisis de costos. Entrega final. • • •
Recursos a Utilizar • • • •
Sistemas de medición de presión Srtain Gage o Piezoeléctrico. Software Delphi para interfaz gráfica y software compilador cruzado Componentes electrónicos varios Dependencias de laboratorio
Servicios externos • • •
Nota:
Servicio para elaboración de placa Servicio para elaboración de plantilla Servicio para elaboración de Box
El Anexos no fue incluido en esta copia debido a la utilización de éstos en original para propuesta de memoria. (Encuesta a Kinesiólogos)
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CRISTIAN D AVID G ÁLVEZ S AN M ARTÍN
Anexo
TÉCNICO UNIVERSITARIO EN ELECTRÓNICA TELÉFONO MÓVIL: 56 9 7966872 PUNTA ARENAS 3654 DPTO.303 S ANTIAGO-FONO: 56 2 4555190 C ARAMPANGUE 272 V ALPARAÍSO
INFORMACIÓN PERSONAL Estudiante de último año de INGENIERÍA DE E JECUCIÓN EN CONTROL E INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL de la UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO S ANTA M ARIA , SEDE V IÑA DEL M AR JOSÉ MIGUEL C ARRERA y titulado como TÉCNICO UNIVERSITARIO EN ELECTRÓNICA de la misma casa de estudios. Nacido el 12 de febrero de1977, nacionalidad Chilena, soltero, con domicilios en Santiago y Valparaíso. Sólidos conocimientos de Electrónica y Microcontroladores entre otros. Matricula militar 999577 – 40776 Unidad 0309.
EXPERIENCIA LABORAL 19/12/1999 al 13/05/2000
Operador de video para el departamento de prensa de la Corporación de Televisión de la Pontificia Universidad Católica de Chile, perteneciendo al cuerpo de Ingeniería de dicho canal.
Corporación de Televisión de la Universidad Católica de Chile – Canal 13 Inés Matte Urrejola 0848, Santiago.- Fono:56 2 6302429 – 6302430
2003
Creación del diseño, elaboración y montaje del sistema de regadío automático para las áreas verdes del Hospital Psiquiátrico Dr. Phillippe Pinel de Putaendo, además del sistema de recuperación de aguas en lavanderías de dicho Hospital Psiquiátrico para proyecto del Gobierno Regional. José Antonio Salinas 2500, Putaendo. - Fono:56 34 501002 San Felipe.
DESCRIPCIÓN PERSONAL De carácter comunicativo y sociable, cooperativo en labores de trabajo. Carácter de liderazgo demostrando como entrenador para la rama de Rugby de la Universidad Tecnológica Metropolitana. Intereses personales como el Rugby, la música, el cine y trabajos sociales.
REFERENCIAS Enrique Rioseco. Jefe de departamento Técnico Seil Sony Seil Sony S.A. Av. Perú 665, Recoleta.- Fono: 56 2 7775887
LOGROS PERSONALES
Certificado de reconocimiento por mérito académico como mejor promedio en programa de Ingeniería en Ejecución en Control e Instrumentación Industrial durante el año académico 2002. Segundo lugar año 2000 en concurso de electrónica, muestra ELO, realizado por la Universidad Técnica Federico Santa Maria. Deportista destacado en la rama de rugby de la Universidad Técnica Federico Santa Maria, Sede José Miguel Carrera, para el año 1998.
Anexo I
Nombre Profesión Establecimiento Médico Teléfono (Opcional) Establecimiento Formación
Según su experiencia en tratamiento de carga progresiva, conteste las siguientes interrogantes II marcando con una cruz la opción escogida: 1
¿Tiene Ud. experiencia en tratamiento de Osteosarcoma?
2
La falta de objetividad de los implementos que Ud. ocupa para la medición es
3
La necesidad de un sistema electrónico para esta medición es
4
¿Qué grado de interés posee Ud. en este implemento electrónico?
5
¿Qué nivel de apoyo aporta al paciente este instrumento? Según su experiencia:
6
Usted adquiriría este instrumento electrónico.
7
¿Cree Ud. que este implemento es importante en una organización médica?
8
La imagen de una organización terapéutica sería mayor.
9
¿Sabe de la existencia de este implemento?
III Refiérase o califique el presente proyecto en las siguientes líneas.
a t l A
Si
a n a i d e M
No
a j a B
