Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuroingeniería -...

Neuro Rehabilitation and

Neuro Enigeenering Institute - UTN

Facultad Regional Mendoza-Departamento de Electrónica

2015

Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuro Ingeniería UTN

INSTITUTO DE NEURO REHABILITACIÓN Y NEURO INGENIERÍA - UTN

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PROGRAMA DE TECNOLOGÍA BIOMÉDICA

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Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuroingeniería - UTN

Contenido Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuroingeniería - UTN ............................................... 2

Neuro Ingeniería y Rehabilitación Siglo XXI. ................................................................... 3

Introducción y Marco General de la Propuesta: ............................................................... 6

Objetivos: ................................................................................................................. 9

Recursos Físicos y Estructura Básica del Lab: .............................................................. 12

Organización y Recursos Humanos del Neuroengineering Lab: ........................................ 19

Proyectos Fundantes del INRN-UTN ............................................................................. 22

Conclusiones: .......................................................................................................... 24


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Neuro Ingeniería y Rehabilitación Siglo XXI.

Hasta hace relativamente pocos años, el concepto de rehabilitación ha estado enmarcado en una serie de prácticas y ejercicios rutinarios que ponían su énfasis en repeticiones mecánicas de ciertos movimientos de miembros afectados, durante un lapso de tiempo determinado y con pautas más relacionadas con la costumbre que con el conocimiento científico.

El gran avance de las neurociencias en los últimos diez años a partir de los sistemas de diagnóstico por imágenes de alta calidad y del procesamiento matemático de señales biológicas como las del electroencefalograma, potenciales evocados y electromíografía, ha llevado a descubrimientos espectaculares de la fisiología y el comportamiento neurológico del ser humano.

En este sentido, conceptos como neuromodulación, plasticidad neuronal y neuroestimulación perceptual programada, han dado una nueva dimensión y perspectiva a la rehabilitación no solamente neuromuscular sino también cognitiva.

Con esto se abre un abanico sumamente amplio de necesidades relacionadas con la demanda de equipamiento y tecnología que puedan brindar el marco procedimental para el desarrollo de nuevos protocolos de recuperación y entrenamiento para la mejora de aquellas capacidades que por algún motivo han sido dañadas o disminuidas en las personas ya


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sea por problemas de carácter hereditario o genético, por el desarrollo de diversas patologías, por causas relacionadas con accidentes o por el envejecimiento natural que a la larga nos afectará a cada uno de nosotros.

Hoy se sabe que muchos procesos de rehabilitación son más efectivos cuando se asocian a un elevado nivel de intensidad y tiempo de trabajo, para lo cual las máquinas de movimiento pasivo continuo son una gran contribución a este tipo de desafío.

También se sabe que una inmensa cantidad de procesos cognitivos se pueden mejorar a través del entrenamiento programado con ejercicios de neuropercepción asistida a través de sistemas expertos diseñados para tal fin. Memoria, atención, capacidad de reacción, interpretación textual, secuenciación analítica, etc son algunas de los aspectos que se pueden hacer más eficientes con el abordaje neurocientífico y la tecnología adecuada.

Los sistemas interactivos basados en interfaces BCI (Cerebro-Computadora-Interfaces), los desarrollos de software y apps orientados a aplicaciones específicas de neurorehabilitación y las plataformas de análisis y entrenamiento de la conducta psicomotriz, son algunos de las líneas de I+D+i que se podrán desarrollar en el Lab.

La recuperación de la movilidad en miembros y la actividad del habla en casos de ACV, se pueden lograr de manera mucho más eficiente y en menor tiempo, con la combinación precisa de ejercicios neuroperceptuales y neuro motrices a través de la tecnología y el equipamiento adecuado para ello.


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La inclusión social de personas con capacidades disminuidas de origen psicomotriz o neurocognitivo también se puede mejorar enormemente a través de sistemas BCI (Brain Computer Interface) y máquinas de movimiento y accionamiento de entorno programado como bipedestadores, teclados conceptuales con manejo a distancia del entorno, teclados conceptuales para el mejoramiento de procesos cognitivos y de aprendizaje, sintetizadores de voz para aplicaciones escolares y sociales, sistemas de modelación psicomotriz, etc.

En definitiva, la neuroingeniería y la neurorehabilitación abren una nueva dimensión de esperanza a todas aquellas personas que por una causa u otra padecen este tipo de enfermedades con el enorme sufrimiento y el triste aislamiento social al que ellas conllevan.

El concepto de Neuro Rehabilitación conlleva entonces un significado más amplio al que hasta ahora estábamos acostumbrados y sin lugar a dudas la tecnología y las PRT (Plataformas de Recuperación Tecnológica) tienen mucho para aportar en este sentido.

El Instituto de Neuroingeniería y Neurorehabilitación de la UTN abordará esta problemática desde una perspectiva sistémica e integradora y sobre todo brindará a los alumnos de las carreras de grado y posgrado, la posibilidad de formarse en un campo disciplinar fascinante y a la vez en plena expansión en todo el mundo.


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Introducción y Marco General de la Propuesta:

El Instituto Regional de Bioingeniería de la Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Mendoza, viene trabajando en distintas áreas de investigación, certificación de equipamiento biomédico, diseño de servicios e instalaciones hospitalarias, arquitectura hospitalaria y formación de recursos humanos a nivel de grado y posgrado.

En este contexto, en el año 2013 el IRB-UTN en conjunto con prestigiosos profesionales de la institución desarrollo el proyecto de tecnología orientada a la rehabilitación con el SISTEMA DE BIPEDESTACIÓN ACCIONADO POR EEG cuya función esencial era la inclusión de personas con capacidades diferentes en actividades de la vida cotidiana que por la gravedad de su situación están prácticamente paralizadas.

A partir de esta acción el proyecto se presentó en distintas instancias de participación tecnológica en el país y en Julio del 2013 concursó en el Programa FONARSEC del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Nación, ganando en la primera instancia, el aporte de $ 3.000.000 para la implementación de una Empresa de Base Tecnológica EBT 100 - para el desarrollo de tecnología orientada a la Neuro-rehabilitación.


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Bajo este marco y en razón de que dicha propuesta fue realizada bajo el encuadre del Programa de Tecnología Biomédica de la Universidad Tecnológica Nacional, se tuvieron una serie de reuniones de trabajo con la intención de articular los resultados de los proyectos EBT con las actividades académicas y de investigación de la UTN en sus distintos grupos de I+D+i.

Es en este sentido es que el proyecto que aquí presentamos propone la creación de un Instituto Interfacultades dedicado a la investigación y el desarrollo de proyectos relacionados con le Neuroingeniería y la Neurorehabilitación que posibilite la formación de alumnos, becarios, pasantes y profesionales en estas disciplinas tecnológicas.

Las áreas de actividad que se desarrollarán en este Instituto abordan una problemática con demanda creciente y soluciones tecnológicas relacionadas con estas disciplinas.

El crecimiento de las enfermedades de origen neurocognitivo, el envejecimiento de la población, el aumento alarmante de casos de accidentes cerebrovasculares (ACV) aún en población joven, las patologías de incapacidad motriz derivadas de accidentes automovilísticos, el deterioro de las capacidades cognitivas por el uso inadecuado de drogas, carencia de sueño o deficiencias alimentarias, son algunas de las causas por las que se prevé el aumento en la necesidad de desarrollo de esta rama de actividad tecnológica-médica.

Solamente en Argentina mueren 2 personas por hora a raíz de accidentes cerebros vasculares (ACV) produciéndose más de 80.000


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casos anuales de los que una gran mayoría de sobrevivientes necesita rehabilitación intensiva.

Por otra parte se estima que al menos el 30% de la población padece de algún tipo de trastorno neurocognitivo, neuromotor, neuroperceptivo y/o trastornos transitorios asociados al sistema nervioso que van desde aspectos básicos relacionados con el estrés, problemas del sueño, carencia de plasticidad psicomotriz, etc.

Estas cifras dan una magnitud real de la problemática a la que se enfrenta la neuroingeniería y el gran crecimiento de la misma a nivel mundial en los últimos diez años.

Sin embargo, en nuestro país todavía es una disciplina apenas incipiente y poco conocida por lo que la creación del Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuro Ingeniería de la UTN se plantea como objetivo primario la formación de recursos humanos, la difusión de éste campo de conocimientos y la generación de proyectos con las sociedades más importantes relacionadas con los mismos.


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Objetivos:

El presente proyecto tiene como objetivo la creación del NEUROREHABILITACIÓN y NEUROINGENIERÍA LAB en el marco del Instituto Regional de Bioingeniería y el Grupo de I+D+i GÉNESIS del Departamento de Electrónica de la Facultad Regional Mendoza - UTN.

El proyecto presenta además una característica colaborativa a través del trabajo conjunto y articulado con otras Facultades Regionales, que el caso de inicio serán la Facultad Regional San Nicolás y la Facultad Regional La Rioja.

Este laboratorio en articulación con el Proyecto EBT 100 de empresas de base tecnológica del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Nación, constituirá la plataforma tecnológica a partir de la cual se podrán desarrollar una serie importante de actividades académicas y productivas relacionadas con:

1.- Desarrollar en la región de Cuyo el novedoso y apasionante campo de conocimiento relacionado con la investigación, el desarrollo y la innovación tecnológica en la creación de prótesis, sistemas de neurorehabilitación y modelación computacional en neuroingeniería.

2.- Formar grupos de I+D+i en relación con el diseño de interfaces BCI (Brain Computer Interface - Cerebro Computadora Interface), con aplicaciones específicas orientada a las neurociencias.


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3.- Realizar proyectos de dispositivos de base tecnológica capaces de interactuar con el sistema nervioso humano y animal, a fin de aplicarlos a personas con capacidades diferentes.

4.- Diseñar dispositivos dedicados a la rehabilitación de personas a partir de aplicaciones robóticas, realidad virtual y sistemas BCI.

5.- Trabajar sobre el desarrollo de software orientado al entrenamiento, la rehabilitación y el diagnóstico de patologías relacionadas con el sistema nervioso humano a fin de promover soluciones específicas con la problemática del mismo.

6.- Desarrollar modelos de simulación de comportamiento del SNC y SNP a fin de evaluar el comportamiento del mismo y su aplicabilidad al conocimiento de la fisiología humana y animal.

7.- Realizar análisis, estudios y desarrollos relacionados con la informática biomédica en todos sus campos de acción a fin de crear, mejorar e investigar aspectos relacionados con el comportamiento del Sistema Nervioso Central (SNC) y el Sistema Nervioso Periférico (SNP) tanto en su comportamiento normal como patológico.

8.- Organizar seminarios, jornadas, congresos y asistir a eventos similares tanto a nivel local como nacional e internacional.

9.- Desarrollar publicaciones, sitios web y/o recursos multimediales de cualquier tipo, destinados a la información, formación


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y capacitación de recursos humanos en las áreas que comprenden a la Neuroingeniería.


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Recursos Físicos y Estructura Básica del Lab:

El Instituto de Neurorehabilitación y Neuroingeniería de la UTN se sostiene esencialmente sobre una estructura física definida por tres áreas de actividad específica:

1.- Área de Análisis y Diseño de Prótesis y Dispositivos: en este área de trabajo se aborda la problemática del diseño y el desarrollo de dispositivos y prótesis orientadas a los distintos proyectos de rehabilitación sobre los que se trabaja en el NEI y para ello se cuenta con equipamiento y tecnologías adecuadas a tal fin. Plataformas de desarrollo en Solid-Works, impresoras 3D, sistemas de modelación anatómica de prótesis y anatomía comparada, etc son algunos de los elementos más importantes con los que cuenta este área de trabajo.

Además de esto, el Instituto cuenta con una impresora 3D profesional con la que se podrán realizar impresiones de partes, dispositivos y prótesis de máxima calidad y aplicables a casos concretos y reales que atiendan a la problemática de cada paciente particular.

Entre los equipos más importantes adquiridos para el Lab en este área de trabajo están:

- Impresoras 3D Profesionales:

• IMPRESORA A: Impresora 3D profesional basada en la tecnología PolyJet


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• IMPRESORA B: Impresora 3D profesional basada en la tecnología de Modelado de Fusión por Deposición (FDM)

• KIT de inicio para la Impresora 3D • 1 PC HOST de 4GB RAM • 6 cabezales de impresión de reemplazo para la Impresora 3D • Sistema inyector de chorro de agua, 500 (220 V), BALCO o

similar. • Crédito de resina por gran combo de material de fotopolímeros

de PolyJet por 3 años • Crédito de resina por gran combo de material de soporte por 3

años • Computadoras de alta resolución y capacidad de computo para

imágenes 3D. • Elementos y software de soporte específico. • Simuladores de anatomía y fisiología humana. • Etc.

2.- ´Área de Investigación y Desarrollo de TICs aplicadas a la NeuroIngeniería: este área del Instituto cuenta con computadoras, software y servidores de elevada capacidad de procesamiento y su función central es la de realizar desarrollo de aplicaciones orientadas a los distintos aspectos de la bioinformática relacionados con simulación de sistema, desarrollo de apps para smartphones, desarrollo de sistemas expertos en el campo de la NeuroEngineering, procesamiento de señales biológicas relacionadas con EEG, etc.

Este área de trabajo también aborda la problemática del diagnóstico y terapéutica de diversas categorías de problemas cognitivos así como el entrenamiento basado en neuroplasticidad cerebral para la mejora de capacidades de aprendizaje y motoras.


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Algunos de los equipos importantes que componen esta plataforma de trabajo son:

- Equipos de Procesamiento de señales EEG.

- Equipo de Electroencefalografía:

• Equipo Bio-PC para estudios de Electroencefalografía con Mapeo Cerebral, Potenciales Evocados (auditivos / somatosensitivo / visuales) y Video EEG

- Cámara Profesional BIO:

• Cámara Profesional captura imágenes BIO • Tarjeta de Memoria

- Equipos Informáticos e Insumos:

• Impresora Multifunción Laser Color • Tóner (Negro, Amarillo, Cian, Magenta) • Computadora Desarrollo Gráfico 3D • Monitores LED • Soportes de Monitor Dual Ajustable • Ultrabook • Proyector Multimedia • Discos Rígidos Externos Portables • Memorias Flash USB • Tablets 7" • Tablets 10" • Router inalámbrico


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• Televisor LED 42”

- Equipamiento y Licencias para Centro de Datos:

• 2 (dos) Servidores • 1 (uno) Rack para servidores estándar • 1 (uno) Switch SAN FC • 1 (uno) Switch Gigabit Ethernet Cisco • 1 (uno) Sistema de Almacenamiento (Storage) • 1 (uno) UPS • Licencias de Software para Servidores

• Licencias de Software para programas específicos de diseño 3D

• Licencias de Software para programas desarrolladores de apps smartphone y tablets.

• Licencias de Software para programas de I+D+i.

3.- Área de Electrónica Aplicada a la Neuro Ingeniería: Esta plataforma de trabajo cuenta con equipamiento e instrumental destinado al desarrollo y a la fabricación de placas e interfaces electrónicas BCI (Brain Computer Interfaces) cuyo objetivo central es la captura y el procesamiento de señales biológicas cardíacas, electroencefalográficas y miográficas a partir de las cuales se pueden realizar acciones de control sobre máquinas, prótesis y otros dispositivos desarrollados en el Lab.

Algunos de los equipos e instrumentos que conforman la base tecnológica de esta plataforma son:

- Sensores, controladores con transmisión de datos:

• Arduinos Mega • Arduinos Nano • Arduinos Uno


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• Fuentes de Alimetacion Arduino • Sensores ultrasónicos de distancia • Arduinos Ethernet • Módulos Ethernet • Sensores digitales de temperatura • XBee Pro • Convertidores DC Boost • Detectores de proximidad por infrarrojo • Relojes de tiempo real • Transceptores • Transmisores y Receptores • Módulos sensores de corriente • Módulos acelerómetros giróscopos • Módulos Bluetooth • Displays LCD 3,2 pulgadas • Arduinos GSM • Módulos GSM/GPRS • Thumb Joysticks • Kit BITalino • Circuitos integrados varios

- Componentes Electrónicos:

• Pack de Diodos • Pack de Transistores • Pack de Componentes Optoelectrónicos • Pack de Microcontroladores • Pack de Resistores Fijos • Pack de Resistores Variables • Pack de Capacitores • Pack de Conectores • Pack de Switches • Pack de Relés • Pack de Transistores N-MOSFET


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• Pack de Circuitos Integrados • Pack de Sensores de Efecto Hall • Multímetros Digitales • Generadores de Funciones • Medidor RLC • Fuentes de Alimentación • Osciloscopios • Osciloscopio Portátil • Estación de Soldado y Desoldado • Kit de Boquillas para Soldador o Desoldador • Succionador • Programadores Microcontroladores PIC

4.- Área de Bio Mecánica y Robótica: El área de biomecánica y robótica constituye el medio de trabajo en el cual se desarrollan distintos tipos de dispositivos mecatrónicos que toman como insumo los trabajos desarrollados en otras áreas del laboratorio y lo integran en prótesis biomecánicas inteligentes, exoesqueletos, máquinas accionadas por EEG, sistemas de bipedestación automáticos, physiological machines, rehabilitation machine, sistemas CPM (Continuous Passive Motion) etc

- Escaner 3D:

• Escáner 3D Profesional

- Cortadora Láser:

• Cortadora Láser de Escritorio

- Software Mecanizado 3D

- Actuadores Lineales


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- Motores, Ruedas y Baterías:

• Motores Derecho para Tracción • Motores Izquierdo para Tracción • Ruedas de 20 cm • Ruedas de 30 cm • Pack de Baterías • Cargadores de Batería.

- Herramientas e Instrumentos:

• Pack Soldadores • Juegos de Pinzas • Pack de Llaves • Pack de Alicates • Kit de Herramientas para PC Básico • Juegos de Tubos • Torno de Mano • Pack de Juegos de Destornilladores • Alcohol Isopropílico • Aerosol 10 Funciones • Limpiacontactos • Grasa Siliconada • Removedor de Flux • Limpiacontactos Lubricante • Anteojos de Protección • Termómetro Digital • Termocuplas • Placas de Pruebas • Radios Intercomunicadores


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Organización y Recursos Humanos del Neuroengineering Lab:

INSTITUTO REGIONAL DE BIOINGENIERÍA

BIOMEDICAL NEUROENGINEERING INSTITUTE

Área de Impresión

3D

´Área de Bioinformática

Áreas de Electrónica y Biomecánica

I+D+ i

Formación de Recursos Humanos

Certificación de

Tecnología


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En su línea de desarrollo jerárquico el Instituto depende del Programa Nacional de Tecnología Biomédica de la Secretaría de Ciencia y Técnica del Rectorado de la Universidad Tecnológica Nacional y del Departamento de Electrónica de la Facultad Regional Respectiva en la línea de acción y especialidad correspondiente.

A nivel local los niveles jerárquicos son mínimos a fin de priorizar la comunicación ágil y simétrica entre los responsables de cada una de las áreas y la Dirección.

Cada una de las Facultades Regionales involucradas en el Instituto deberán elevar sus proyectos de I+D+i a la Dirección del mismo a fin de ser evaluado en sesión conjunta con los responsables de área para disponer su pertinencia y agenda de trabajo correspondiente.


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La aprobación de los proyectos y programas de trabajo se definirá en conjunto con la Dirección del Departamento de Electrónica de la UTN-FRM.

Los profesores, becarios y pasantes provenientes de las regionales mencionadas tendrán acceso prioritario al uso de las plataformas tecnológicas del Instituto en función de su proyecto y la agenda acordada con la Dirección del mismo.

Los alumnos que provengan de otras Facultades, Universidades o de programas internacionales deberán encuadrarse dentro de los marcos normativos y convenios adecuados para cada caso particular.


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Proyectos Fundantes del INRN-UTN

En la actualidad ya existen proyectos de desarrollo tecnológico que se llevarán a cabo de manera colaborativa con otras Facultades Regionales de la Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Mendoza, entre los que se encuentran;

1.- Sistema de Bipedestación Inteligente: Se trata de un proyecto en el que se incorpora a la silla de ruedas tradicional o motorizada, un sistema de bipedestación automático que permite que el paciente pueda adquirir la posición erecta a través de motores programados de manera continua o a distintas alturas preseleccionadas.

2.- Silla de ruedas con sistema de accionamiento por EEG y voz: En este proyecto se incorpora tecnología de captura de señales electroencefalográficas para accionar el movimiento de los motores de la silla así como otros tipos de actuadores que se incorporan a la misma.

3.- Sistemas CPM (Continuous Passive Motion): Dispositivos tecnológicos orientados a la rehabilitación de miembros superiores y/o inferiores que por distintas razones han estado inmovilizados y requieren de la iniciación de movimientos y esfuerzos graduales de manera pasiva y continua en rutinas - tiempo programadas de manera específicas.


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4.- Exoesqueletos para rehabilitación: Son dispositivos de estructuras metálicas livianas que cumplen funciones de apoyo en rehabilitaciones orientadas a los accidentes cerebrovasculares.

5.- Rehabilitation Complex Machines: Máquinas de alta y mediana complejidad que utilizan mecatrónica, robótica e informática compleja para desarrollar sesiones de rehabilitación en enfermedades degenerativas del sistema neuromuscular, ACV, miopatías congénitas, parálisis cerebral, etc.

6.- Interfaces BCI para rehabilitación neurocognitiva: Son sistemas de software experto dedicado a la recuperación o mejoramiento de habilidades cognitivas asociadas a la capacidad de memoria, dixlesia, aprendizaje, déficit de atención, etc.


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Conclusiones:

La creación del Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuroingeniería en el ámbito de la Facultad Regional Mendoza-Departamento de Electrónica, coloca a la Universidad Tecnológica Nacional a la punta de la investigación y el desarrollo en uno de los campos disciplinares más importantes e innovadores que existen dentro de la ingeniería aplicada a la salud.

El proyecto presenta la novedad de la colaboración académica a partir de la intervención de tres Facultades Regionales que cooperarán de manera articulada en el abordaje de distintos tipos de proyectos, el desarrollo de programas interfacultades y la creación de pasantías de investigadores docentes, profesionales y alumnos que quieran formarse en el campo de la neuroingeniería.

El instrumental y el equipamiento que conforman las cuatro plataformas de base del Instituto de Neuro Rehabilitación y Neuro Ingeniería de la UTN - Facultad Regional Mendoza constituyen un hito en la Región de Cuyo y serán además espacios de aprendizaje y formación para el resto de alumnos de las carreras de grado y posgrado de esta casa de altos estudios.

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