Bioimpedance monitoring system for pervasive biomedical applications

L’objectiu de la tesi es la realitzacio d’equipaments electronics per aplicacions biomediques de caracter Poin-of-Care en entorns d’investigacio, control i tractament clinic. Aquest projecte es troba en el marc de les activitats de recerca del grup, on el desenvolupament d’electroniques d’interface amb el mon biomedic i la recerca de noves tecnologies i aplicacions d’instrumentacio son unes de les principals tasques que porten a terme. Donades aquestes consideracions, a l’ultim any s’ha definit un cami dintre dels sistemes d’instrumentacio PoC orientats al control d’agents biologics cel•lulars amb tecniques d’analisi d’impedancia. Aquests dispositius estan basats en dos conceptes claus: el disseny d’instrumentacio electronica senzilla, economica i de baix consum, aixi com sistemes de sensat versatils i d’un sol us. D’aquesta manera, es possible desenvolupar equipaments versatils, 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’analisi d’impedancia 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 instrumentacio electronica 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 comunicacio amb un ordinador remot. El sistema es capac de treballar en un rang de frequencies molt ampli, amb diferent tipus de potencia de senyal i diferent tipus d’analisi i representacio, com ara Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) amb representacio amb diagrames de Bode i Nyquist, o la seleccio de punts de frequencials concrets per un tipus d’analisi mes especific per a un experiment biomedic mes concret, senzill i rapid. Es tracta d’un equipament economic, fiable i senzill per l’analisi d’hematocrit, que aporta avencos com la gran capacitat d’integracio en ambients clinics, la possibilitat de fer un control medico sanitari instantani i reportar telematicament els resultats o la possibilitat d’implementar un sistema de control medic integrat i automatitzat. D’aquesta manera, s’han obert dos camps d’experimentacio i aplicacio: 1.1 Control i sensat d’hematocrit per deteccio d’anemia. Amb el ispositiu descrit anteriorment preparat per a la deteccio, mitjancant impedancia, d’agents biologics cel•lulars, es va utilitzar en una serie d’experiencies per a la deteccio d’anemia. L'Organitzacio Mundial de la Salut ( OMS ) defineix l'anemia com l'etapa en que la quantitat d'hematocrit a la sang cau per sota de cert llindar definit per a determinats grups de poblacio, sent considerat un problema mundial associat amb molts factors. Segons l'OMS, 1620 milions de persones, el 24,8% de la poblacio mundial, es veuen afectats per l'anemia. Els comptadors hematologics automatitzats proporcionen, amb un alt grau de precisio, la informacio necessaria per a la deteccio d’anemia, el que representa una eina molt util per avaluar els donants tant com a rutina com amb situacions complexes de laboratori. No obstant aixo, l'acces a aquest equipament es un problema en els paisos en desenvolupament, on els equips i tecniques d'avaluacio menys fiables estan disponibles. D’aquesta manera, l’aplicacio d’un equipament Point-of-Care senzill amb sensors d’un sol us i economics suposaria un avenc en el control de l’anemia, una malaltia molt estesa i facil de contraure. Com l’hematocrit es el percentatge del volum de la sang que fa referencia a la fraccio dels globuls rojos, la quantitat d’hematocrit es pot discernir a partir de l’analisi d’impedancia. D’aquesta manera, s’han fet una serie d’experiencies de validacio amb l’equipament d’analisi d’impedancia i sensors comercials de 3 electrodes 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’anemia. Aquestes experiencies s’han dut a terme a l’Hospital Clinic de Barcelona on hem comptat amb la col•laboracio 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 economic, portable, acurat i robust per la deteccio d’anemia dintre dels estandards de calibratge dels equipaments medics per analisi de sang. 1.2 Sistema autonom per concentracio bacteriana. Considerant les caracteristiques portables i versatils del equipament i la seva apacitat d’adaptacio a multitud de sistemes de sensat diferents, s’han dut a terme unes experiencies en sistemes microfluidics lab-on-a-chip amb diverses funcionalitats integrades. Aquest sistema global, consta d’un dispositiu microfluidic d’atrapament i concentracio de bacteries i un modul electronic d’aplicacio dielectroforetica que combinat amb la lectura de concentracio bacteriana i etapa de software embebit proporciona un equipament capac de concentrar i controlar un cultiu bacteria de manera autonoma i en temps real. Aquest dispositiu, la seva validacio i resultats seran reportats i publicats en breu temps. 1.3 Sistema de deteccio Point-of-Care d’hematocrit. S’ha dissenyat un dispositiu electronic instantani, fiable i rendible com a principi per una nova generacio de dispositius PoC per a la deteccio i monitoritzacio d'hematocrit que correlaciona directament una senyal de sortida de tensio amb els nivells d'hematocrit, el qual te una gran versatilitat. Pot ser utilitzat com a sistema de control rutinari per pacients a casa, aplicacions telematiques per estudis clinics y controls centralitzats de seguiment de pacients i una serie de funcionalitats per a integracio en altres dispositius biomedics i LoC. El seu principi de funcionament esta relacionat amb les propietats d'impedancia electrica inherents de cel•lules de la sang, evitant l'us de biomarcadors quimics, pel que es mes rendible, facil 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 deteccio hematocrit en el mercat, per tal d’adrecar els problemes que es troben amb la seva utilitzacio. Al mercat dels dispositius PoC per a la deteccio de l'hematocrit, el principi fonamental de funcionament es basa en les reaccions bioquimiques i biomarcadors, donant els resultats obtinguts amb senyals visuals o valors de estimacio indirecte. Una sortida amb un valor de voltatge directament correlacionat amb hematocrit proporciona diversos avantatges, com ara que els resultats no son oberts a la interpretacio de l'usuari, com quan les dades obtingudes son representades opticament, i a mes a mes obtenim una major versatilitat en termes d'aplicacions, quan es compara amb altres dispositius comercials, com ara un detector PoC de hematocrit, un dispositiu de vigilancia per a aplicacions de telemedicina, o com un controlador d'altres actuadors clinics. A mes, a diferencia dels equips clinics al mercat i els dispositius PoC relacionat amb l'analisi de sang, les mostres de sang no son destruides en el proces de mesurament, i aquest proces de mesura basat en la deteccio d’impedancia es realitza de manera instantanea, fent d'aquesta tecnologia una solucio adequada per a la integracio en altres dispositius com dispositius LoC o equips clinics de sobretaula per a una major funcionalitat. A mes, el dispositiu no es totalment rebutjable, nomes el sistema de sensat d'ultra baix cost, que consisteix en electrodes impresos sense cap tipus de de biomarcador o microfluidica; pel que es un dels dispositius economics disponibles. Hem testejat el dispositiu de deteccio d’hematocrit amb mostres de sang consecutives de 83 pacients adults. La exactitud, precisio i correlacio dels resultats de la deteccio d'hematocrit s’han analitzat mitjancant la comparacio dels resultats obtinguts amb un analitzador de hematologia que utilitza la tecnica CBC (ADVIA 2120, Siemens AG, Madrid, Espanya). Les dades recollides van ser analitzades amb la metodologia estadistica de la regressio linial (LR) i de l’analisi de Bland-Altman (BA). Cada mostra de sang es va testejar 10 vegades a fi d'analitzar l'exactitud i precisio. L’analisi LR mostra que el nou dispositiu detector d'anemia te una linealitat de 0,982, coeficient de correlacio de Pearson de 0,964 i un coeficient de determinacio de 92,15% d'hematocrit. El coeficient de variacio es de 2.48 ± 1.26% per al conjunt de les mostres, amb el pitjor dels casos de 4,82%. Utilitzant la metodologia estadistica BA, els resultats van mostrar un bias de -0.45%, una desviacio estandard de les diferencies (SDD) de 2,46%, i 95% els limits d'acord de -4.51% a 3.61%. El dispositiu PoC de deteccio d'hematocrit es mostra com una solucio economica, fiable, sensible i robusta. El dispositiu presentat ens permet fer mesures d'hematocrit instantanis, emetre resultats fiables en base a dades de tensio electrica, facilment representables i fiables per enviar mitjancant eines telemetriques; millorant el rendiment dels dispositius actuals per a l’autodiagnosi de pacients, la deteccio multi-objectiu degut a la no destruccio de les mostres, i les aplicacions de telemedicina per al seguiment de pacients amb malalties croniques, el que representa un avenc significatiu cap a una nova generacio de dispositius PoC.