Medidas de bioimpedancia para la detección del estado de

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Medidas de bioimpedancia para la detección del
estado de los órganos
Paco Bogónez
Cuando aplicamos corriente de baja frecuencia en un tejido
la corriente circula por el exterior de las células, a medida que
aumenta la frecuencia de la corriente aplicada la corriente
circulará tanto por el exterior como por el interior de las
células. Dependiendo del tipo de tejido, tamaño de las células
y espacio entre ellas, la frecuencia a la que la corriente
empieza a circular por el interior de las células es una
determinada para ese tipo de tejido. De esta manera podemos
asociar una frecuencia característica para cada tejido.
Schwan [1] descubrió que existían tres márgenes de
frecuencia en los que la permitividad del material cambiaba de
valor. Estas tres regiones o dispersiones se conocen como α, β
y γ. La dispersión α comprende desde los mHz hasta los 10
kHz y se relaciona con las pérdidas dieléctricas del medio,
estructuras intracelulares y la difusión iónica. En esta zona no
se suelen hacer las medidas de bioimpedancia porque aporta
poca información y por la elevada impedancia de los
electrodos. La dispersión β va desde los 10 kHz hasta los 100
MHz y está relacionada con la capacidad de la membrana
celular y las moléculas de las proteínas. En esta región es
donde se realizan la mayoría de las medidas. La dispersión γ
va desde los 100 MHz hasta los 100 GHz y está relacionada
con los mecanismos de la relajación dipolar como las
moléculas de agua o las sales. Para realizar las medidas en esta
región se utilizan equipos y técnicas empleados en el campo
de las microondas.
Resumen—En este trabajo se realiza una introducción a las
técnicas de medida, la representación gráfica y las aplicaciones
típicas de la bioimpedancia, centrándose en la monitorización del
estado de órganos. Por último se presenta una aplicación para la
detección del rechazo en el transplante de riñón. Es estudio está
en fase de desarrollo y constituye el tema de doctorado del autor.
Palabras clave—Bioimpedancia, instrumentación, transplante
de órganos.
I. INTRODUCCIÓN
L
bioimpedancia eléctrica mide la oposición al paso de la
corriente de un tejido biológico. La medida de
bioimpedancia la podemos realizar sobre cualquier tejido
vivo, como uñas, piel, una manzana, etc, o sobre un tejido
muerto, como un riñón extraído del cuerpo de una animal.
Si aplicamos una tensión o una corriente a un material y
medimos la corriente o la tensión en dicho material podemos
obtener la impedancia eléctrica como la relación entre la
tensión y la corriente. La impedancia es un número complejo
y la podemos descomponer en su parte real, R, y su parte
imaginaria, Xc. La impedancia esta relacionada con las
características eléctricas del material, conductividad, σ, y
permitividad, ε.
En la ecuación 1 podemos ver las relaciones entre el
A
módulo, Z , y la fase,
ϕ , de la impedancia y
su parte real e
II. MÉTODOS DE MEDIDA DE LA BIOIMPEDANCIA
imaginaria.
Para la medida de bioimpedancia existen 4 tipos básicos de
circuitos, la medida en puente, la medida de I-V, el puente
autobalanceado y la reflectometría [2].
La medida en puente emplea el puente de Wheatstone en el
que una de las impedancias se coloca la impedancia a medir.
Para hallar el valor de la impedancia desconocida se varía una
de las impedancias de una de las ramas hasta conseguir que
por el detector no circule corriente. Esté método de medida
tiene una gran precisión y es muy económico. La margen de
impedancia que se puede medir es reducido sin el cambio de
impedancias del puente, además el margen de medidas es
reducido comparado con otros métodos. También es el más
antiguo utilizado y en la actualidad está en desuso. El margen
de medida es desde continua hasta los 30 MHz. En la figura 1
se puede ver el sistema de medida.
Z = R − jXc
Z = R 2 + Xc 2
ϕ = a tan
(1)
Xc
R
Los tejidos están compuestos por agrupaciones de células
especializadas en funciones determinadas. La célula está
compuesta por una membrana que separa el líquido
intracelular del fluido extracelular. El líquido intracelular está
compuesto por agua, sales, proteínas, etc. El fluido
extracelular está compuesto por agua y por productos
metabólicos.
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de medida.
Figura 3. Esquema del método de medida en puente autobalanceado. Agilent
Technologies, Impedance measurement handbook, 2006.
Figura 1. Esquema del método de medida en puente y relación entre la
impedancia desconocida y el resto de las impedancias del puente. Agilent
Technologies, Impedance measurement handbook, 2006.
El último método es el de reflectometría en el dominio del
tiempo [3]. Esté método de medida se emplea en la medida de
impedancia en el margen de microondas. A la impedancia
desconocida se le aplica un escalón de tensión y a partir del
coeficiente de reflexión se puede obtener el valor de la
impedancia desconocida. El margen de frecuencia va desde
los 300 kHz hasta los 40 GHz siendo el margen de medida de
la impedancia reducido y cercano a la impedancia
característica de la guía de onda, por lo general 50 ohms. El
gran inconveniente de este método es que se necesita una
calibración en todo el margen frecuencial de medida. El costo
de estos equipos es muy elevado. En la figura 4 se puede
apreciar el sistema de medida.
El método de medida I-V consiste en aplicar una corriente o
una tensión a la impedancia desconocida y medir la tensión o
la corriente. Este es el método más habitual de medida y el
margen de medida está comprendido entre continua y
aproximadamente los 110 MHz. Tiene la ventaja de poder
medir un amplio margen de impedancias con una gran
exactitud a pesar de que ésta disminuye a medida que aumenta
la frecuencia. El coste está en un nivel medio y las medidas
están referidas a tierra, aunque con ligeras modificaciones se
pueden hacer medidas diferenciales. En la figura 2 se puede
ver el sistema de medida.
Figura 4. Esquema del método de medida por reflectometría. Agilent
Technologies, Impedance measurement handbook, 2006.
Figura 2. Esquema del método de medida I-V y relación entre la impedancia
desconocida y la tensión y la corriente aplicadas. Agilent Technologies,
Impedance measurement handbook, 2006.
III. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA BIOIMPEDANCIA
La bioimpedancia tiene dos formas básicas de
representación [4], uno es el diagrama de bode donde se
representa el módulo y la fase de la impedancia y el otro es el
diagrama de Wessel. En el diagrama de Wessel en el eje de las
abcisas se sitúan los valores de la parte real de la impedancia,
de máxima frecuencia a mínima frecuencia medida y en el eje
de las ordenadas los valores de la parte imaginaria de la
impedancia. En la figura 5 se puede ver un diagrama de bode
y un diagrama de Wessel. En éste último diagrama se puede
Un método más elaborado para la medida de la impedancia
es el puente autobalanceado. En este caso se aplica una
tensión a la impedancia desconocida y la salida del conversor
i-v variará para que en el punto L del circuito la diferencia de
tensión sea de 0 voltios. Este método tiene un gran margen de
medida de impedancia y una gran precisión en todo el margen
de frecuencias, por el contrario el coste es relativamente
elevado. En la figura 3 se puede ver un esquema del sistema
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de los cambios que se produzcan en las tres regiones del
cuerpo se determina si el ritmo de extracción es el adecuado o
no.
Para conocer el estado del sistema circulatorio inferior
también se utiliza la bioimpedancia [9]. En la parte superior de
la pierna del paciente se coloca un brazalete que aumenta la
presión e impide el retorno de la sangre al corazón. Cuando se
libera la presión del brazalete la sangre almacenada puede
retornar a la pierna. Midiendo la bioimpedancia al aplicar la
presión al brazalete y al eliminarla se obtiene una forma de
pulso. A partir de la pendiente de bajada del pulso se
determina el estado del sistema circulatorio.
En la elaboración de cavas y cervezas también se utiliza la
bioimpedancia [10]. En este caso lo que se hace es medir la
bioimpedancia en el tanque de fermentación del vino o de la
cerveza. En este caso lo que se hace es medir la concentración
de levaduras presente en el tanque.
El estado de los alimentos es un campo en el que también se
utiliza la bioimpedancia [11]. Por ejemplo en el curado de los
jamones se utiliza la medida de bioimpedancia para
determinar cuando un jamón está curado y ha alcanzado el
punto óptimo.
localizar más fácilmente la frecuencia característica y la el
número de dispersiones.
V. APLICACIÓN A LA DETECIÓN DEL ESTADO DE LOS ÓRGANOS
La detección del estado de los órganos es un campo que se
está ampliando con el uso de la bioimpedancia ya que es una
técnica no invasiva, en la mayoría de las ocasiones, y de bajo
coste.
Muchos recién nacidos sufren hipoxia/ isquemia cerebral en
las primeras semanas de vida. Esto provoca que muchos
recién nacidos mueran y los que viven sufran grandes secuelas
como retraso mental o coma cerebral [12]. El principio en el
que se basa esta técnica, rheoencefalografía, es que cuando las
células se ven privadas de oxígeno la concentración iónica del
medio intracelular cambia y las células aumentan en tamaño.
Este aumento de tamaño provoca que la membrana de la
célula se haga más fina y que la parte real de la impedancia
cambie. Así en la figura 6 podemos apreciar un incremento de
la parte imaginaría de la impedancia cuando al cerebro le falta
oxígeno.
Figura 5. Diagrama de Bode y diagrama de Wessel de representación de la
impedancia eléctrica. Grimnes S, Martinsen OG., Bioimpedance and
bioelectricity basics.
IV. APLICACIONES DE LA BIOIMPEDANCIA
La bioimpedancia tiene algunas aplicaciones en la clínica y
muchas de ellas son tan habituales que pasan desapercibidas a
los usuarios. Como ejemplo está la medida de la composición
corporal [5] en la que podemos conocer la cantidad de grasa,
músculo y líquido que tiene una persona. Las básculas de
farmacia poseen dos agarradores que no son más que cuatro
electrodos para la medida de bioimpedancia.
Otra de las aplicaciones de la bioimpedancia es la medida
de la capacidad pulmonar para determinar posibles zonas de
los pulmones que no estén funcionando correctamente [6]. En
este caso al paciente se le coloca un tira de electrodos que
abarcan todo el perímetro del pecho del paciente y se le aplica
corriente por un par de electrodos y se mide la tensión en el
resto. Esto se hace con todos los electrodos y al final se
obtiene una imagen de impedancia casi en tiempo real.
La distribución de líquido en el cuerpo humano es muy útil
en la hemodiálisis o diálisis peritoneal ya que permite
determinar la cantidad de líquido que se debe extraer al
paciente así como monitorizar y controlar el ritmo de
extracción de este líquido [7], además de poder determinar el
estado nutricional de los pacientes y así poder ajustar el nivel
de proteínas [8]. Al paciente que se somete a hemodiálisis se
lo coloca un medidor de bioimpedancia en el brazo que le
queda libre, otro en el estómago y otro en la pierna. A partir
Figura 6. Diagrama de Wessel de la impedancia eléctrica del cerebro sometido
a hipoxia. Seoane et Al, Spectroscopy study of the dynamics of the
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transencephalic electrical impedance in the perinatal brain during hypoxia.
Physiol. Meas. 26 (2005) 849–863.
entre tejido sano y tejido canceroso [14]. Existen dos sistemas
de medida, el primero es colocar boca abajo a la señora en una
camilla con un orificio por donde deja que la mama cuelgue
[15]. Existen unos electrodos en forma de anillo que se ajustan
al contorno de la mama y va realizando una serie de medidas
de bioimpedancia a diferentes niveles. El segundo sistema de
medida, es el empleado por T-Scan 2000 [16], donde la
paciente se tiende boca arriba en una camilla. La paciente
tiene en una de las manos un electrodo de referencia y con una
sonda se van realizando medidas por diferentes cuadrantes de
la mama. El software de procesado de las imágenes indica la
zona donde existe la sospecha y si es un cáncer o un quiste.
En la figura 8 se muestra, en la parte superior, las imágenes
obtenidas por el primer método y en la parte inferior las
imágenes obtenidas por T-Scan 2000.
El infarto de corazón es una de las primeras causas de
muerte en el primer mundo. Cuando se produce un infarto de
corazón la mayoría de las células afectadas mueren, mientras
que otras quedan inactivas produciendo arritmias haciendo
que el riesgo de un nuevo infarto aumente. Es necesario
conocer en que zona del corazón se ha producido el infarto y
eliminarla mediante técnicas de ablación. La medida de
bioimpedancia de forma invasiva permite diferenciar entre
tejido sano y tejido infartado para poder delimitar la zona a
tratar [13]. El sistema de medida es introducir un catéter por
una artería de la pierna o del brazo e ir haciendo medidas de
bioimpedancia en diferentes zonas del corazón. En la figura 7
podemos ver un diagrama de Bode de la impedancia de
diferentes estados de tejido cardíaco.
Figura 7. Diagrama de Bode de la impedancia eléctrica de diferentes estados
del tejido del corazón. Bragos et Al. Transmural Versus Nontransmural In Situ
Electrical Impedance Spectrum for Healthy, Ischemic, and Healed
Myocardium. IEEE transactions on biomedical engineering, vol. 51, no. 8,
august 2004.
Figura 8. En la parte superior se puede apreciar las imágenes obtenidas por el
método de la camilla con el hueco para dejar la mama colgando y en la parte
inferior se puede ver la pantalla del software del sistema T-Scan 2000.
El cáncer mama es uno de los cánceres más peligros y más
importantes de los que existen. El método actual para
determinar si es un cáncer consiste en realizar una mamografía
y en el caso de que haya algo sospechoso se realiza una
biopsia. La mamografía es, para la mayoría de las mujeres,
una prueba dolorosa ya que la mama se debe presionar,
además la biopsia es una técnica invasiva. El cáncer de mama
consiste en un crecimiento desmesurado de las células y en
algunas ocasiones a una acumulación de agua. La medida de
bioimpedancia se basa en este principio para poder diferenciar
En la actualidad es habitual el transplante de órganos para
incrementar la esperanza de vida de los pacientes que tienen
un malfuncionamiento en alguno de los órganos. Pese a que es
una técnica común existe el riesgo de que un órgano destinado
a un transplante pueda quedar inservible desde que se extrae
del donante y se transplanta al paciente. Para monitorizar la
calidad del órgano durante el transporte se utiliza la medida de
bioimpedancia. Mediante una fina aguja que se inserta en el
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acudir al hospital con urgencia. Una vez en el hospital se
realizarían las pruebas habituales para determinar si se está
produciendo el rechazo en el riñón transplantado.
Para poder determinar cual es la variación en los parámetros
de la bioimpedancia, primero se deben realizar medidas en un
riñón normal y en uno sometido a un rechazo. Estas medidas
se realizarán en cerdos a los que se les hará un transplante de
riñón y posteriormente se les provocará el rechazo en el riñón
transplantado. Para hacer estas medidas se va a realizar una
unidad implantable que hará las medidas y las enviará a un PC
mediante un enlace de radiofrecuencia en la banda libre de
434 MHz. Esta unidad realizará medidas de diez frecuencias
cada 5 minutos. La autonomía es de 27 días midiendo en las
condiciones anteriores. El margen de medida de impedancia es
de 10 Ω a 1000 Ω en el margen de frecuencias de 1 kHz a 1
MHz. Las dimensiones de la unidad de medida son de
35x35x3 mm con un peso de 15 g y está realizada en una
placa flexible para poder adaptarse a la forma del riñón. En la
figura 10 se puede ver un diagrama de bloques de la unidad de
medida diseñada.
órgano que se quiere monitorizar su estado se mide la
bioimpedancia y el valor de pH [17]. Cuando un órgano se
extrae del donante se produce la isquemia o falta de oxígeno.
A partir de este momento el pH de órgano comienza a
aumentar y debido a la muerte de las células el valor de la
impedancia cambia. En la figura 9 se puede apreciar la
variación en el módulo y la fase de la impedancia al
provocarse una isquemia y la posterior reperfusión.
Figura 9. Variación en el módulo y la fase de la impedancia a diferentes
frecuencias al provocar una isquemia y su posterior reperfusión. R. Gómez, A.
Ivorra, R. Villa, P. Godignon, J. Millán, I. Erill, A. Solá , G. Hotter, and L.
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Figura 10. Diagrama de bloques del sistema de medida implantable diseñado
para medir las propiedades del riñón en cerdos.
VI. APLICACIÓN AL RECHAZO EN EL TRANSPLANTE DE RIÑÓN
El riñón es un órgano diana del cuerpo, esto quiere decir
que el fallo del riñón puede provocar el fallo del corazón o de
los pulmones y provocar la muerte. El elevado consumo de
alcohol, tabaco, drogas o medicamentos puede provocar que
las nefronas se vayan destruyendo y el riñón deje de
funcionar. Cuando el riñón deja de funcionar el paciente se
tiene que someter a diálisis peritoneal o hemodiálisis a la vez
que se inscribe en la lista de espera de transplantes.
Cuando a un paciente se le transplanta un riñón existe el
riesgo de que el cuerpo lo asocie como un cuerpo extraño y
provoque el rechazo del mismo. En la actualidad la única
forma de comprobar si se está produciendo un rechazo en el
transplante consiste en la realización de análisis de sangre y de
biopsia. La biopsia es una técnica invasiva muy dolorosa. Se
pretende utilizar la medida de bioimpedancia como técnica no
invasiva para determinar el estado del riñón en un transplante.
De esta manera se pretende disminuir el número de rechazos
en el transplante de riñón así como el tiempo de postoperatorio del paciente en el hospital. Para ello se pretende
diseñar un sistema portátil de medida de bioimpedancia que
vaya monitorizando el estado del riñón y cuando se superen
unos límites emita una alarma indicando al paciente que debe
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Paco Bogónez Franco. Barcelona, 1973. Ingeniero Técnico Industrial (1996)
e Ingeniero en Electrónica (2000) por la Universidad Politécnica de
Catalunya, UPC.
Ha estado trabajando en el Grup de Compatibilitat Electromagnètica
(GCEM) de la UPC desde 2000 hasta 2005. Actualmente está cursando los
estudios de doctorado en Ingeniería Biomédica en la UPC. Su tema de
investigación es el uso de la medida de bioimpedancia para determinar el
rechazo en el transplante de riñón.
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