MEDIDAS DE BIOIMPEDANCIA PARA LA DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS

Paco Bogónez Franco16 Noviembre 2006

CONTENIDO

1.- Introducción.

2.- Métodos de medida de impedancia.

3.- Representación gráfica de la bioimpedancia.

4.- Aplicaciones básicas de la bioimpedancia.

5.- Detección del estado de los órganos.

6.- Aplicación al rechazo en el transplante de riñón.

1.- Introducción.

INTRODUCCIÓN (1/5)

· La impedancia mide la oposición a la corriente aplicada a un material.

· Si es tejido biológico se denomina bioimpedancia.

· Tejido biológico puede ser,

· Un huevo

· Una planta

· Pelo

· Uñas

· Pulmón

· Está relacionada con las características eléctricas del material, conductividad (σ) y permitividad (ε).

INTRODUCCIÓN (2/5)

La impedancia eléctrica

i

+ v -

2 2

arctan

Z R XXR

= +

=

Z

R

XvZ R jXi

= = +

MATERIAL

INTRODUCCIÓN (3/5)i

i

CÉLULA

MATERIALBIOLÓGICO

+ v -

ELECTRODO DE INYECCIÓN

ELECTRODO DE INYECCIÓN

ELECTRODOSDE DETECCIÓN

FLUIDO INTRACELULAR

FLUIDO EXTRACELULAR

i

i

INTRODUCCIÓN (4/5)

· La conductividad y la permitividad varían con la frecuencia y con el tipo de tejido (tamaño de las células, tipo de líquido intra-extracelular).

· Debido a este comportamiento se puede asociar una “frecuencia característica” a cada tipo de tejido.

· Existen tres regiones, α (mHz a 10 kHz), β (10 kHz a 100 MHz), γ (100 MHz a 100 GHz), donde se puede medir, siendo la región β la más utilizada.

· La dispersión gama va desde los 100 MHz a 100 GHz y esta relacionada con los mecanismos de relajación dipolar como las moléculas de agua, sales, etc.

· La dispersión alfa va desde unos pocos mHz a 10 kHz y se relaciona con las pérdidas dieléctricas del medio, estructuras intracelulares y la difusión iónica. En esta región no se suelen hacer medidas por que aporta poca información y la elevada impedancia de los electrodos no lo hace fácil.

· La dispersión beta va desde los 10 kHz a los 100 MHz y esta relacionada con la capacidad de la membrana celular, y la respuesta de las moléculas de las proteínas. Aquí es donde se hacen la mayoría de las medidas.

INTRODUCCIÓN (5/5)

On electrical impedance scanning-principles and simulations, Scholz (2000)

Dispersiones de un material biológico

2.- Métodos de medida de impedancia.

MÉTODOS DE MEDIDA (1/6)

· Existen 4 métodos básicos en la medida de bioimpedancia.

· Medida en puente.

· Medida de I-V.

· Medida en puente autobalanceado.

· Reflectometría.

MÉTODOS DE MEDIDA (2/6)

· MEDIDA EN PUENTE· Se varía una de las impedancias del puente hasta conseguir que no circule corriente por el detector.

· Método más antiguo utilizado. Casi en desuso.

· Margen de medida de DC a 30 MHz.

MÉTODOS DE MEDIDA (3/6)

· MEDIDA DE I-V· Se aplica una tensión o una corriente a la resistencia desconocida y se mide la corriente o la tensión.

· Método más habitual.

· Margen de medida de DC a 110 MHz.

MÉTODOS DE MEDIDA (4/6)

· MEDIDA EN PUENTE AUTOBALANCEADO

· Se aplica una tensión a la impedancia desconocida. Variar la salida del conversor I-V para que en L haya 0 voltios.

· Método habitual en equipos de investigación de materiales.

· Margen de medida de 20 Hz a 110 MHz.

MÉTODOS DE MEDIDA (5/6)

· REFLECTOMETRÍA

· Se aplica un escalón y se mide el coeficiente de reflexión.

· Método habitual en equipos de microondas.

· Margen de medida de 300 kHz a 40 GHz.

MÉTODOS DE MEDIDA (6/6)

· RESUMEN

300 kHz a 40 GHz

· Necesario recalibrar para cada f de medida.· Margen pequeño de Z.· Costo muy alto.

· Gran margen frecuencial· Buena precisión cuando Zx esta cercana a la Z característica.ANÁLISIS DE REDES

20 Hz a 110 MHz

· Grandes márgenes de frecuencia no disponibles.· Coste alto.

· Gran margen de Z· Gran precisión en todo el margen de f .

PUENTE BALANCEADO

DC a 110 MHz

· Pérdida de exactitud a alta f recuencia.· Medida referida a tierra.

· Gran margen de Z.· Gran exactitud.· Costo medio

MEDIDA DE I-V

DC a 30 MHz

· Pequeño margen frecuencial.· Pequeño margen de Z.

· Alta resolución.· Bajo coste.PUENTE

MARGEN FREC UENCIALCO NTRASPRO SMÉTODO

3.- Representación gráfica de la bioimpedancia.

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA BIOIMPEDANCIA

Bode

Cole (Wessel)

4.- Aplicaciones básicas de la bioimpedancia.

APLICACIONES BÁSICAS DE LA BIOIMPEDANCIA

· Medida de la composición corporal.

· Medida del sistema respiratorio.

· Medida de la concentración de biomasa.

· Medida del flujo sanguíneo.

· Distribución de líquidos.

· Pletismografía.

· Detección del estado de alimentos.

· Determinación del estado de órganos.

5.- Detección del estado de los órganos.

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (1/8)

RHEOENCEFALOGRAFÍA.· Medida del flujo sanguíneo cerebral mediante el cambio de impedancia.

· Muchos neonatos sufren hipoxia/isquemia cerebral en las primeras semanas de vida.

· Las células para garantizar su supervivencia activan unos mecanismos.

· Todo ello provoca edema en la zona sometida a isquemia y por ende una variación en las propiedades eléctricas.

· Cambio de la concentración iónica del medio intra-extracelular.

· Aumento del tamaño de las células.

· La hipoxia/isquemia produce un gran número de muertes de neonatos, además de retraso mental en los supervivientes (coste económico elevado).

· Detectado a tiempo se pueden salvar vidas y evitar las consecuencias.

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (2/8)

RHEOENCEFALOGRAFÍA.

Seoane et Al.Spectroscopy study of the dynamics of the transencephalic electrical impedance in the perinatal brain during hypoxia.

Physiol. Meas. 26 (2005) 849–863

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (3/8)

CORAZÓN.· Medida de la impedancia del tejido del corazón de forma invasiva.

· El infarto de corazón es una de las primeras causas de muerte en el 1er mundo.

· Cuando hay infarto la zona se queda sin riego sanguíneo.

· Provoca arritmias en el corazón y el riesgo de otro infarto aumenta.

· En el peor de los casos se produce la muerte de las células musculares.

· En el mejor de los casos existen algunas células vivas pero no activas.

· Es necesario conocer la zona del infarto para poder eliminarla.

· Este método nos permite conocer la gravedad del infarto.

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (4/8)

CORAZÓN.

Bragos et Al.Transmural Versus Nontransmural In Situ Electrical Impedance Spectrum for Healthy, Ischemic, andHealed Myocardium.

IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 51, NO. 8, AUGUST 2004

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (5/8)

CÁNCER DE MAMA.· Medida de la impedancia de la mama de forma no invasiva.

· El cáncer de mama es uno de los más peligrosos.

· Cuando hay un tumor en la mama.

· Método no invasivo aprobado por la FDA para el diagnóstico.

· Crecimiento desmesurado de células.

· Si es un quiste existe acumulación de líquido.

· El diagnóstico actual consiste en realizar una biopsia (doloroso).

· Este método nos permite conocer (fase preliminar) si es un tumor benigno o maligno.

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (6/8)

CÁNCER DE MAMA.

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (7/8)

ESTADO DEL ÓRGANO EN TRANSPLANTE.· Cada vez hay más transplantes de órganos.

· Nos interesa controlar el estado en el que llegan al quirófano.

· No existe en la actualidad ninguna medida que nos proporcione dicha información.

· Existe un método invasivo de la medida de impedancia y del pH del órgano.

· Sistema experimental a punto de ser comercializado.

· Cuando se extrae del paciente se produce isquemia del órgano muerte de las células.

· Además se produce un incremento en el pH decremento del tiempo útil del órgano.

DETECCIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS (8/8)

ESTADO DEL ÓRGANO EN TRANSPLANTE.

6.- Aplicación al rechazo en el transplante de riñón.

RECHAZO DE RIÑÓN (1/6)

· El consumo de alcohol, drogas, medicamentos puede destruir las nefronas.

· Cuando el riñón deja de funcionar el paciente se somete a diálisis peritoneal o hemodiálisis y espera un transplante.

· Al extraerlo se produce isquemia.

· Al transplantarlo se produce reperfusión.

· Método actual es el análisis de sangre y la biopsia.

· Interesa conocer el estado del riñón entre la extracción y el transplante y después del transplante.

· Cuando se transplanta un riñón comienza su destrucción.

· El riñón es un órgano diana del cuerpo humano.

· Método propuesto es la medida no invasiva de bioimpedancia.

INTRODUCCIÓN.

RECHAZO DE RIÑÓN (2/6)

INTRODUCCIÓN.· Cada riñón pesa 150 g y es del tamaño de un puño.

· Cada riñón tiene un millón de nefronas que son las que se encargan de realizar la función de “filtrado”.

· Los riñones se encargan, entre otras cosas, de:- Excreción de productos matabólicos de las células.- Excreción de producto químicos externos (drogas, alcohol).- Regulación del equilibrio de agua y electrolitos.- Regulación de la presión arterial.

Textbook of medical physiology, Guyton & Hall (2000)

Nefronas

RECHAZO DE RIÑÓN (3/6)

RECHAZO DE RIÑÓN (4/6)

MÉTODO PROPUESTO

· Medida de las características eléctricas de un riñón sano y uno en rechazo.

· A partir de unos valores de impedancia definir los umbrales de sano/inicio rechazo.

· Medida en el exterior de la zona transplantada y almacenamiento de valores.

· En caso de superar los niveles establecidos se avisa al paciente para un ingreso en el hospital.

· En el hospital realización de pruebas para confirmar el rechazo.

RECHAZO DE RIÑÓN (5/6)

OBTENCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL RIÑÓNRealización de un prototipo para la medida de bioimpedancia en cerdos transplantados.

Margen de medida de 10 Ω a 1.000 Ω, de 1 kHz a 1.000 kHz.

Autonomía de 27 días midiendo bioimpedancia a diez frecuencias cada 5 minutos.

Dimensiones del PCB de 35x35x3 mm en placa flexible con un peso de 15 g.

Enlace con el PC mediante RF en la banda libre de 433 MHz.

Sistema de medida in-vivo de las propiedaes del riñón en un cerdo.

Diagrama de bloques del prototipo de medida desarrollado.

RECHAZO DE RIÑÓN (6/6)

MUCHAS GRACIAS

bogonez@eel.upc.edu