Bioimpedance monitoring system for pervasive biomedical applications
- Autores: Jaime Punter Villagrasa
- Directores de la Tesis: Jordi Colomer (dir. tes.), Pere Lluís Miribel Català (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Richard Reilly (presid.), Teresa Riesgo (secret.), Joan Cid Vidal (voc.), Neus Sabatè Vizcarra (voc.), Xavier Trepat Guixer (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Dipòsit Digital de la UB
- Resumen
L’objectiu de la tesi és la realització d’equipaments electrònics per aplicacions biomèdiques de caràcter Poin-of-Care en entorns d’investigació, control i tractament clínic. Aquest projecte es troba en el marc de les activitats de recerca del grup, on el desenvolupament d’electròniques d’interface amb el mon biomèdic i la recerca de noves tecnologies i aplicacions d’instrumentació són unes de les principals tasques que porten a terme. Donades aquestes consideracions, a l’últim any s’ha definit un camí dintre dels sistemes d’instrumentació PoC orientats al control d’agents biològics cel•lulars amb tècniques d’anàlisi d’impedància. Aquests dispositius estan basats en dos conceptes claus: el disseny d’instrumentació electrònica senzilla, econòmica i de baix consum, així com sistemes de sensat versàtils i d’un sol us. D’aquesta manera, és possible desenvolupar equipaments versàtils, portables i de baix cost que poden aportar gran rendiment en diferents camps de la biomedicina. Amb aquestes premisses, s’ha desenvolupat un equipament d’anàlisi d’impedància independent del sistema de sensat, el que comporta la possibilitat d’utilitzar multitud de tipus de sistemes de sensat. Aquest equipament, consta d’una senzilla instrumentació electrònica basada en un sistema de sensat preparat per diferents tipus de sensors, tot controlat per un microprocessador encarregat del control automatitzat del hardware, post-processat de dades i comunicació amb un ordinador remot. El sistema és capaç de treballar en un rang de freqüències molt ampli, amb diferent tipus de potència de senyal i diferent tipus d’anàlisi i representació, com ara Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) amb representació amb diagrames de Bode i Nyquist, o la selecció de punts de freqüencials concrets per un tipus d’anàlisi més específic per a un experiment biomèdic més concret, senzill i ràpid. Es tracta d’un equipament econòmic, fiable i senzill per l’anàlisi d’hematòcrit, que aporta avenços com la gran capacitat d’integració en ambients clínics, la possibilitat de fer un control medico sanitari instantani i reportar telemàticament els resultats o la possibilitat d’implementar un sistema de control mèdic integrat i automatitzat.
D’aquesta manera, s’han obert dos camps d’experimentació i aplicació: 1.1 Control i sensat d’hematòcrit per detecció d’anèmia.
Amb el ispositiu descrit anteriorment preparat per a la detecció, mitjançant impedància, d’agents biològics cel•lulars, es va utilitzar en una sèrie d’experiències per a la detecció d’anèmia. L'Organització Mundial de la Salut ( OMS ) defineix l'anèmia com l'etapa en què la quantitat d'hematòcrit a la sang cau per sota de cert llindar definit per a determinats grups de població, sent considerat un problema mundial associat amb molts factors. Segons l'OMS, 1620 milions de persones, el 24,8% de la població mundial, es veuen afectats per l'anèmia. Els comptadors hematològics automatitzats proporcionen, amb un alt grau de precisió, la informació necessària per a la detecció d’anèmia, el que representa una eina molt útil per avaluar els donants tant com a rutina com amb situacions complexes de laboratori. No obstant això, l'accés a aquest equipament és un problema en els països en desenvolupament, on els equips i tècniques d'avaluació menys fiables estan disponibles. D’aquesta manera, l’aplicació d’un equipament Point-of-Care senzill amb sensors d’un sol ús i econòmics suposaria un avenç en el control de l’anèmia, una malaltia molt estesa i fàcil de contraure. Com l’hematòcrit és el percentatge del volum de la sang que fa referència a la fracció dels glòbuls rojos, la quantitat d’hematòcrit es pot discernir a partir de l’anàlisi d’impedància. D’aquesta manera, s’han fet una sèrie d’experiències de validació amb l’equipament d’anàlisi d’impedància i sensors comercials de 3 elèctrodes i capacitat de 50 µL de mostra de sang (l’equivalent a una gota de sang) per evitar grans volums de mostra que puguin agreujar o induir l’anèmia. Aquestes experiències s’han dut a terme a l’Hospital Clínic de Barcelona on hem comptat amb la col•laboració del personal de recerca de l’hospital que ens ha proporcionat mostres de sang de pacients reals. Els resultats han estat satisfactoris, aconseguint un sistema econòmic, portable, acurat i robust per la detecció d’anèmia dintre dels estàndards de calibratge dels equipaments mèdics per anàlisi de sang.
1.2 Sistema autònom per concentració bacteriana.
Considerant les característiques portables i versàtils del equipament i la seva apacitat d’adaptació a multitud de sistemes de sensat diferents, s’han dut a terme unes experiències en sistemes microfluidics lab-on-a-chip amb diverses funcionalitats integrades. Aquest sistema global, consta d’un dispositiu microfluidic d’atrapament i concentració de bactèries i un mòdul electrònic d’aplicació dielectroforetica que combinat amb la lectura de concentració bacteriana i etapa de software embebit proporciona un equipament capaç de concentrar i controlar un cultiu bacterià de manera autònoma i en temps real. Aquest dispositiu, la seva validació i resultats seran reportats i publicats en breu temps.
1.3 Sistema de detecció Point-of-Care d’hematòcrit.
S’ha dissenyat un dispositiu electrònic instantani, fiable i rendible com a principi per una nova generació de dispositius PoC per a la detecció i monitorització d'hematòcrit que correlaciona directament una senyal de sortida de tensió amb els nivells d'hematòcrit, el qual té una gran versatilitat. Pot ser utilitzat com a sistema de control rutinari per pacients a casa, aplicacions telemàtiques per estudis clínics y controls centralitzats de seguiment de pacients i una sèrie de funcionalitats per a integració en altres dispositius biomèdics i LoC. El seu principi de funcionament està relacionat amb les propietats d'impedància elèctrica inherents de cèl•lules de la sang, evitant l'ús de biomarcadors químics, pel que és més rendible, fàcil d'operar, i resulta en un dispositiu de mesura no destructiu, millorant el seu rendiment i funcionalitats. Aquest dispositiu, i el seu principi de funcionament, ha estat comparat amb altres dispositius de detecció hematòcrit en el mercat, per tal d’adreçar els problemes que es troben amb la seva utilització.
Al mercat dels dispositius PoC per a la detecció de l'hematòcrit, el principi fonamental de funcionament es basa en les reaccions bioquímiques i biomarcadors, donant els resultats obtinguts amb senyals visuals o valors de estimació indirecte. Una sortida amb un valor de voltatge directament correlacionat amb hematòcrit proporciona diversos avantatges, com ara que els resultats no son oberts a la interpretació de l'usuari, com quan les dades obtingudes són representades òpticament, i a més a més obtenim una major versatilitat en termes d'aplicacions, quan es compara amb altres dispositius comercials, com ara un detector PoC de hematòcrit, un dispositiu de vigilància per a aplicacions de telemedicina, o com un controlador d'altres actuadors clínics. A més, a diferència dels equips clínics al mercat i els dispositius PoC relacionat amb l'anàlisi de sang, les mostres de sang no són destruides en el procés de mesurament, i aquest procés de mesura basat en la detecció d’impedància es realitza de manera instantànea, fent d'aquesta tecnologia una solució adequada per a la integració en altres dispositius com dispositius LoC o equips clínics de sobretaula per a una major funcionalitat. A més, el dispositiu no és totalment rebutjable, només el sistema de sensat d'ultra baix cost, que consisteix en elèctrodes impresos sense cap tipus de de biomarcador o microfluídica; pel que és un dels dispositius económics disponibles.
Hem testejat el dispositiu de detecció d’hematòcrit amb mostres de sang consecutives de 83 pacients adults. La exactitud, precisió i correlació dels resultats de la detecció d'hematòcrit s’han analitzat mitjançant la comparació dels resultats obtinguts amb un analitzador de hematologia que utilitza la técnica CBC (ADVIA 2120, Siemens AG, Madrid, Espanya). Les dades recollides van ser analitzades amb la metodologia estadística de la regressió linial (LR) i de l’anàlisi de Bland-Altman (BA). Cada mostra de sang es va testejar 10 vegades a fi d'analitzar l'exactitud i precisió. L’anàlisi LR mostra que el nou dispositiu detector d'anèmia té una linealitat de 0,982, coeficient de correlació de Pearson de 0,964 i un coeficient de determinació de 92,15% d'hematòcrit. El coeficient de variació és de 2.48 ± 1.26% per al conjunt de les mostres, amb el pitjor dels casos de 4,82%. Utilitzant la metodologia estadística BA, els resultats van mostrar un bias de -0.45%, una desviació estàndard de les diferències (SDD) de 2,46%, i 95% els límits d'acord de -4.51% a 3.61%.
El dispositiu PoC de detecció d'hematòcrit es mostra com una solució econòmica, fiable, sensible i robusta. El dispositiu presentat ens permet fer mesures d'hematòcrit instantanis, emetre resultats fiables en base a dades de tensió elèctrica, fàcilment representables i fiables per enviar mitjançant eines telemètriques; millorant el rendiment dels dispositius actuals per a l’autodiagnosi de pacients, la detecció multi-objectiu degut a la no destrucció de les mostres, i les aplicacions de telemedicina per al seguiment de pacients amb malalties cròniques, el que representa un avenç significatiu cap a una nova generació de dispositius PoC.
