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?


•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


7

IEC-SCT 30/10/2008

• Conducció iònica en els materials biològics

Comportament resistiu


8

IEC-SCT 30/10/2008

• Caràcter aïllant de la membrana cel·lular• Doble capa lipídica

• Canals iònics

•Comportament essencialment capacitiu


1 2mFc

cmµ=

P P --

NN++

9

IEC-SCT 30/10/2008

• Comportament capacitiu•Conducció per corrents de desplaçament

•Dependència amb la freqüència


10

IEC-SCT 30/10/2008

• Comportament capacitiu•Conducció per corrents de desplaçament

•Dependència amb la freqüència


11

IEC-SCT 30/10/2008

• Impedància complexa. Comportaments resistiu i reactiu


12

IEC-SCT 30/10/2008

• Impedància complexa. Comportaments resistiu i reactiu

• Mòdul (amplitud)

• Fase (retard)


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


Rm → ∞Cm = 2C

14

IEC-SCT 30/10/2008



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


• R0: Volum extracel·lular

• R0/R∞: Densitat de cèl·lules

• fc: Mida de les cèl·lules

• Pendent: Homogeneïtat de mides i formes


Cm

R e

Ri


AF BF AF AFBF


MEMBRANACEL·LULAR

f

R 8

|Z| Ro

fc

16

IEC-SCT 30/10/2008



Cm

R e

Ri


AF BF AF AFBF


MEMBRANACEL·LULAR

f

R 8

|Z| Ro

fc

17

IEC-SCT 30/10/2008


•Factors geomètrics

• Podrem detectar doncs canvis macroscòpics en:• Dimensions (canvis interns de volum)

• Composició (mida, densitat, homogeneïtat de les cèl·lules)

• Fluids (acumulació, desplaçament)


L 1 L =S +j S Z ρ∗=

σ ωε

18

IEC-SCT 30/10/2008




• 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,...)


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


Zm ≈ Zx si Zin >> Zx, Zexee ZZZZm ++=

Ze

Ze

I V

22

IEC-SCT 30/10/2008

• Estructura del sistema de mesura


+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


24

IEC-SCT 30/10/2008

Contingut




• 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


• Pneumografia d’impedància elèctrica (1941, Nyboer)• Estimació de ventilació

• Detecció d’apnea


27

IEC-SCT 30/10/2008


• Cardiografia d’impedància elèctrica (1966, Kubicec-Patterson). Determinació del cabal cardíac


28

IEC-SCT 30/10/2008


• Pletismografia d’impedància elèctrica


2

2

ZZL

V b ∆−=∆

ρ

29

IEC-SCT 30/10/2008

• Aplicacions basades en la composició corporal

• BIA (Bio Impedance Analysis)


TBW Total Body Water

ICW Intracellular Water

ECW Extracellular Water

30

IEC-SCT 30/10/2008


• BIA (Bio Impedance Analysis)


31

IEC-SCT 30/10/2008


• BIA aplicat a la estimació de l’índex de massa corporal


2

50

HFFMR

=

32

IEC-SCT 30/10/2008


• BIA aplicat a la estimació de l’índex de massa corporal (BMI). Mesures segmentals


33

IEC-SCT 30/10/2008


• BIA aplicat a hemodiàlisi


34

IEC-SCT 30/10/2008


• BIA aplicat a diàlisi peritoneal


35

IEC-SCT 30/10/2008


• Detecció d’isquèmia


36

IEC-SCT 30/10/2008


• Detecció d’isquèmia: miocardi infartat


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


• Estat d’òrgans i detecció de rebuig en transplantaments


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


• Detecció de tumors. T-scan


39

IEC-SCT 30/10/2008


• Detecció de tumors. Pell


40

IEC-SCT 30/10/2008


• Mesura de creixement de cultius en suspensió

• Mesura d’hematòcrit


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


• Mesura de creixement de cultius en monocapa


42

IEC-SCT 30/10/2008


• Mesura de creixement de cultius en monocapa


43

IEC-SCT 30/10/2008

•Tomografia d’impedància elèctrica


•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)

44

IEC-SCT 30/10/2008

•Tomografia d’impedància elèctrica


L

A

R

P

L

A

R

P

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

47

IEC-SCT 30/10/2008

Grup d’Instrumentació Electrònica i Biomèdica

Bioimpedància: una eina per a l’estudi dels teixits...

Documents

Transcript of Bioimpedància: una eina per a l’estudi dels teixits...