Bioimpedància: una eina per a l’estudi dels teixits...
Transcript of Bioimpedància: una eina per a l’estudi dels teixits...
1
IEC-SCT 30/10/2008
Bioimpedància: una eina per a l’estudi dels teixits biològics i la diagnosi mèdica
Ramon Bragós i Bardia
Grup d’Instrumentació Electrònica i Biomèdica
Departament d’Enginyeria Electrònica – ETSETB
Centre de Recerca en Enginyeria Biomèdica
Universitat Politècnica de Catalunya
2
IEC-SCT 30/10/2008
Mesura de les propietats elèctriques passives dels materials biològics
Tècnica no invasiva, no destructiva
Molt sensible, poc específica
Baix cost
Bioimpedància
3
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància elèctrica dels material biològics
• Instrumentació per a l’adquisició de mesures
• Aplicacions biomèdiques
• Conclusions
• Referències
Contingut
4
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància elèctricaOposició que ofereix un material al flux de càrregues elèctriques
Impedància elèctrica dels material biològics
vZi
=i
+
-
V
5
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància elèctrica. De què depèn?
Impedància elèctrica dels material biològics
•Quanta gent vol passar?
•Quina mida tenen?
•Qui troben?
•Com hi interaccionen?
• Composició
• Estructura
6
IEC-SCT 30/10/2008
• Conducció iònica en els materials biològics
Impedància elèctrica dels material biològics
7
IEC-SCT 30/10/2008
• Conducció iònica en els materials biològics
Comportament resistiu
Impedància elèctrica dels material biològics
8
IEC-SCT 30/10/2008
• Caràcter aïllant de la membrana cel·lular• Doble capa lipídica
• Canals iònics
•Comportament essencialment capacitiu
Impedància elèctrica dels material biològics
1 2mFc
cmµ=
P P --
NN++
9
IEC-SCT 30/10/2008
• Comportament capacitiu•Conducció per corrents de desplaçament
•Dependència amb la freqüència
Impedància elèctrica dels material biològics
10
IEC-SCT 30/10/2008
• Comportament capacitiu•Conducció per corrents de desplaçament
•Dependència amb la freqüència
Impedància elèctrica dels material biològics
11
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància complexa. Comportaments resistiu i reactiu
Impedància elèctrica dels material biològics
12
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància complexa. Comportaments resistiu i reactiu
• Mòdul (amplitud)
• Fase (retard)
Impedància elèctrica dels material biològics
G (ω) + jB(ω)R (ω) + jX(ω)
Y (ω) = 1/ Z(ω)Z(ω)
AdmitànciaImpedància
)( ()Z ω φ ω )( ()Y ω ϕ ω
R
X Z
13
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància dels teixits biològics
Impedància elèctrica dels material biològics
Rm → ∞Cm = 2C
14
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància dels teixits biològics
Impedància elèctrica dels material biològics
Cm
R e
Ri
FLUIDEXTRACEL·LULAR
AF BF AF AFBF
FLUIDINTRACEL·LULAR
MEMBRANACEL·LULAR
f
R 8
|Z| Ro
fc
15
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància dels teixits biològics
• R0: Volum extracel·lular
• R0/R∞: Densitat de cèl·lules
• fc: Mida de les cèl·lules
• Pendent: Homogeneïtat de mides i formes
Impedància elèctrica dels material biològics
Cm
R e
Ri
FLUIDEXTRACEL·LULAR
AF BF AF AFBF
FLUIDINTRACEL·LULAR
MEMBRANACEL·LULAR
f
R 8
|Z| Ro
fc
16
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància dels teixits biològics
Impedància elèctrica dels material biològics
Cm
R e
Ri
FLUIDEXTRACEL·LULAR
AF BF AF AFBF
FLUIDINTRACEL·LULAR
MEMBRANACEL·LULAR
f
R 8
|Z| Ro
fc
17
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància dels teixits biològics
•Factors geomètrics
• Podrem detectar doncs canvis macroscòpics en:• Dimensions (canvis interns de volum)
• Composició (mida, densitat, homogeneïtat de les cèl·lules)
• Fluids (acumulació, desplaçament)
Impedància elèctrica dels material biològics
L 1 L =S +j S Z ρ∗=
σ ωε
18
IEC-SCT 30/10/2008
• Impedància elèctrica dels material biològics
• Instrumentació per a l’adquisició de mesures
• Aplicacions biomèdiques
• Conclusions
• Referències
Contingut
19
IEC-SCT 30/10/2008
• Elèctrodes: Interfície entre el sistema de mesura i el material biològic
• Conducció en els circuits electrònics de mesura: electrons
• Conducció en el material biològic: ions
• Acoblament mitjançant elèctrodes Ag-AgCl (cos)
• Acoblament capacitiu metall-teixit (mostres)
Instrumentació per a l’adquisició de mesures
20
IEC-SCT 30/10/2008
• Elèctrodes• Impedància de l’electrode Ze >> Zmesura
• Ag-AgCl: 200-300 Ω
• Agulles: 10-50 Ω• Dispersió entre elèctrodes ∆Ze > 20%
• Derives de Ze (T,t,...)
Instrumentació per a l’adquisició de mesures
21
IEC-SCT 30/10/2008
• Elèctrodes• Impedància de l’electrode Ze molt alta a baixa freqüència
• Necessitat de mesurar en alterna a alguns kHz
• Impedància de l’electrode Ze elevada i dispersa
• Necessitat de mesurar a 4 elèctrodes
2 elèctrodes 4 elèctrodes
Instrumentació per a l’adquisició de mesures
Zm ≈ Zx si Zin >> Zx, Zexee ZZZZm ++=
Ze
Ze
I V
22
IEC-SCT 30/10/2008
• Estructura del sistema de mesura
Instrumentació per a l’adquisició de mesures
+Front-end
Desmoduladorcoherent Adquisició Processament/
Comunicacions
Mostra
v
i
Oscil·lador
Mòdul, fase Alimentació
23
IEC-SCT 30/10/2008
• Consideracions de seguretat elèctrica• Equipament biomèdic classe II, tipus B: IEC60-601
• Corrent auxiliar de pacient: Max 1 mA rms @ 10 KHz, no DC
• Espacial atenció al disseny de l’alimentació i de la etapa frontal
Instrumentació per a l’adquisició de mesures
24
IEC-SCT 30/10/2008
Contingut
• Impedància elèctrica dels material biològics
• Instrumentació per a l’adquisició de mesures
• Aplicacions biomèdiques
• Conclusions
• Referències
25
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en canvis de volum
• Aplicacions basades en composició corporal
• Aplicacions de caracterització de teixits
• Aplicacions de caracterització de cultius
• Tomografia d’impedància elèctrica
Aplicacions biomèdiques
26
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en canvis de volum
• Pneumografia d’impedància elèctrica (1941, Nyboer)• Estimació de ventilació
• Detecció d’apnea
Aplicacions biomèdiques
27
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en canvis de volum
• Cardiografia d’impedància elèctrica (1966, Kubicec-Patterson). Determinació del cabal cardíac
Aplicacions biomèdiques
28
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en canvis de volum
• Pletismografia d’impedància elèctrica
Aplicacions biomèdiques
2
2
ZZL
V b ∆−=∆
ρ
29
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en la composició corporal
• BIA (Bio Impedance Analysis)
Aplicacions biomèdiques
TBW Total Body Water
ICW Intracellular Water
ECW Extracellular Water
30
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en composició corporal
• BIA (Bio Impedance Analysis)
Aplicacions biomèdiques
31
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en composició corporal
• BIA aplicat a la estimació de l’índex de massa corporal
Aplicacions biomèdiques
2
50
HFFMR
=
32
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en composició corporal
• BIA aplicat a la estimació de l’índex de massa corporal (BMI). Mesures segmentals
Aplicacions biomèdiques
33
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en composició corporal
• BIA aplicat a hemodiàlisi
Aplicacions biomèdiques
34
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions basades en composició corporal
• BIA aplicat a diàlisi peritoneal
Aplicacions biomèdiques
35
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de teixits
• Detecció d’isquèmia
Aplicacions biomèdiques
36
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de teixits
• Detecció d’isquèmia: miocardi infartat
Aplicacions biomèdiques
mean(phase angle at 300 kHz)
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
s(ph
ase
angl
e at
300
kH
z)
0
1
scar
normal ischemia
Occlusion
Measuring Electrode
37
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de teixits
• Estat d’òrgans i detecció de rebuig en transplantaments
Aplicacions biomèdiques
0
1
2
3
4
5
6
7
0123456789Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Count
3A0;1A
38
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de teixits
• Detecció de tumors. T-scan
Aplicacions biomèdiques
39
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de teixits
• Detecció de tumors. Pell
Aplicacions biomèdiques
40
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de cultius
• Mesura de creixement de cultius en suspensió
• Mesura d’hematòcrit
Aplicacions biomèdiques
0 1 2 3 4 5 6 7 80
5
10
15
20
O.D
.
time (hours)
0 1 2 3 4 5 6 7 80
0.2
0.4
0.6
0.8
E2
(%)
time (hours)
41
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de cultius
• Mesura de creixement de cultius en monocapa
Aplicacions biomèdiques
42
IEC-SCT 30/10/2008
• Aplicacions de caracterització de cultius
• Mesura de creixement de cultius en monocapa
Aplicacions biomèdiques
43
IEC-SCT 30/10/2008
•Tomografia d’impedància elèctrica
Aplicacions biomèdiques
•Obtenció d’imatges relacionades amb la distribució de la impedància elèctrica a dins del cos
–No invasiu i innocu–Baix cost–Volum petit
–Baixa resolució
•Tècnica complementaria•Quantificació d’informació en
punts de l’interior del cos(espectroscopia focalitzada)
45
IEC-SCT 30/10/2008
• La mesura d’impedància elèctrica pot proporcionar informació sobre la estructura i composició dels materials biològics
• Hi ha diverses tècniques diagnòstiques comercials basades en aquesta tècnica
• Potencialitat de noves tècniques diagnòstiques
• Sistema no invasiu, de baix cost, elevada sensibilitat però baixa especificitat
Conclusions
46
IEC-SCT 30/10/2008
• “Bioimpedance and Bioelectricity Basics”Sverre Grimnes & Orjan MartinsenAcademic Press, 2008.
• Critical Reviews in Biomedical Engineering, Vol 24.“Bioelectrical Impedance Techniques in Medicine”John R. Bourne, Ed. Begell House Inc. 1996
• Bioimpedance Monitoring for physicians: an overviewAntoni Ivorra, 2002
Referències