Técnicas de Medida de Espectroscopia de Impedancia Eléctrica para la Caracterización del Tejido Cardíaco. Aplicación a la Ingeniería de Tejidos.

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"Se está llevando a cabo una implementación del sistema basada en una solución PXI de National Instruments, con la finalidad de mejorar las prestaciones de los desarrollos anteriores, permitir el procesado en tiempo real y también para reducir el volumen del equipo de medida en el quirófano"

- Benjamin Sanchez, UPC

The Challenge:
El objeto de este proyecto es caracterizar cultivos de precursores de cardiomiocitos obtenidos a partir de células madre para la regeneración del tejido de miocardio usando la Espectroscopia de Impedancia Eléctrica. El tejido artificial resultante también se deberá caracterizar in vivo después de su implantación en modelos animales. La viabilidad de las células, el crecimiento, la diferenciación y la evolución estructural se pueden determinar usando esta técnica. El campo de aplicación es la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.

The Solution:
El Grupo de Instrumentación Electrónica y Biomédica del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC ha desarrollado, desde 1993, diversos sistemas de instrumentación e instrumentos a medida para determinar el estado del tejido cardiaco en cooperación con los Departamentos de Cardiología de los Hospitales de la Vall d'Hebron inicialmente y Sant Pau, más recientemente, ambos en Barcelona.

Author(s):
Benjamin Sanchez - UPC
Pere Riu - UPC
Javier Rosell - UPC
Ramón Bragós - UPC

Introducción: La medida de Espectroscopia de Impedancia Eléctrica (EIS) de materiales y sistemas biológicos permite la caracterización del estado del tejido a nivel de muestras, órganos y en el cuerpo entero. Las características eléctricas pasivas del tejido vienen determinadas por el comportamiento resistivo de los líquidos intra y extracelular y por el comportamiento capacitivo de la membrana celular. Así, la impedancia eléctrica de los tejidos depende de la frecuencia y su  espectro cambia con la densidad y morfología de las células, permitiendo la caracterización de diversos tejidos y la detección de patologías. El Grupo de Instrumentación Electrónica y Biomédica del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC ha desarrollado, desde 1993, diversos sistemas de instrumentación e instrumentos a medida para determinar el estado del tejido cardiaco en cooperación con los Departamentos de Cardiología de los Hospitales de la Vall d'Hebron inicialmente y Sant Pau, más recientemente, ambos en Barcelona. Las primeras soluciones se basaron en el uso de un analizador de impedancia comercial HP4192A con una etapa frontal de diseño propio. Se caracterizaron los estados de infarto agudo y crónico y la isquemia, usando tanto electrodos "in-situ" como a través de catéteres en corazones de cerdo. Un segundo paso consistió en el desarrollo de un sistema a medida para detectar el rechazo en corazones trasplantados en humanos, llevando a cabo una biopsia electrónica mínimamente invasiva, realizada a través de un catéter percutáneo. Este método se está mejorando actualmente usando un catéter esofágico, aún menos invasivo. Todas las aplicaciones de control e interfaces de usuario se han llevado a cabo usando LabVIEW. La tercera línea de proyectos se centra en la ingeniería de tejidos para la regeneración cardiaca. Los implantes bioactivos que contienen precursores de cardiomiocitos derivados de células madre mesenquimales  deben ser caracterizados y supervisados in-vitro e in-vivo. El estudio de un objeto biológico cuyas características eléctricas cambian rápidamente con el tiempo debido al latido, precisa que la medida de la bioimpedancia esté libre de la modulación asociada al movimiento cíclico del objeto bajo prueba. Por otra parte, la adquisición de esta modulación podría agregar  información útil sobre el comportamiento del tejido. En lugar de usar el clásico barrido de  frecuencia, la medida de EIS debe ser entonces llevada a cabo de forma rápida, usando una señal de excitación breve y de banda ancha en la gama de frecuencias deseada. Se han propuesto diversas señales de este tipo para usos biomédicos, tales como ráfagas de señales  de ruido blanco, pulsos, ruido filtrado, secuencias pseudo-aleatorias, etc. Sin embargo, la forma de onda óptima, usando como criterio de optimización la relación señal/ruido en un conjunto finito de muestras espectrales y una energía limitada para evitar la estimulación eléctrica, es la señal multiseno. El diseño de las frecuencias y de las fases de la señal multiseno es crítico para optimizar el factor de cresta de la señal. Se está desarrollando una nueva línea de  instrumentación para obtener medidas rápidas de EIS para su uso en modelos animales. También será útil para las demás aplicaciones previamente descritas.

 

Implementación:

En una puesta a punto preliminar, esta técnica fue implementada usando un generador de forma de onda arbitrario, una etapa frontal de ancho de banda grande y un osciloscopio digital como sistema de adquisición, controlados a través de un interface USB/GPIB. La señal de salida del generador se aplica a la etapa frontal, que implementa un sistema de medida de impedancia a 4 electrodos, constituidos por agujas de platino insertadas en el tejido. La adquisición en tiempo real de la señal y el procesado (demodulación digital) fueron también desarrollados en NI LabVIEW. La figura 1 muestra el panel frontal y los resultados experimentales de la evolución del módulo de la impedancia del corazón de cerdo in-situ a lo largo de un ciclo cardiaco usando una ráfaga multiseno de 1 ms, conteniendo 21 frecuencias en el rango 1 kHz – 1 MHz.

El proyecto que se está llevando a cabo actualmente utiliza una distribución de frecuencia bilateral cuasi-logarítmica (BQL) que se ha optimizado para identificar espectros de impedancia de materiales biológicos. Para implementar el sistema de medida se está construyendo una estructura modular basada en un sistema PXI de NI, con el objeto de mejorar las prestaciones del sistema y reducir la cantidad y el volumen de equipos que se utilizarán en el quirófano experimental. El sistema está compuesto por una tarjeta controladora NI PXI-8130, un generador de forma de onda arbitraria PXI-5422 de 200 MS/s, una tarjeta digitalizadora PXI-e5122 de 100 MS/s y un multiplexor de alta densidad PXI-2530, además de un conjunto de etapas frontales analógicas externas para adaptar las señales de los módulos PXI a estructuras de cuatro electrodos de medida de impedancia eléctrica.
Conclusiones
La espectroscopia de impedancia eléctrica proporciona información útil para caracterizar tejidos biológicos y sus patologías. Una aproximación modular, construida alrededor del concepto de  señal multiseno permite la adquisición de los espectros de impedancia libres de modulación por movimiento en experimentos in vivo. Se está llevando a cabo una implementación del sistema basada en una solución PXI de National Instruments, con la finalidad de mejorar las prestaciones de los desarrollos anteriores, permitir el procesado en tiempo real y también para reducir el volumen del equipo de medida en el quirófano. El campo de aplicación es la caracterización en tiempo real in-vitro e in-vivo de tejido artificial para la regeneración cardiaca en modelos animales.

Author Information:
Benjamin Sanchez
UPC
Spain

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