Sensor inteligente de bioimpedancia para aplicaciones biomédicas.

Sensor inteligente de bioimpedancia para aplicaciones biomédicas capaz de realizar medidas de bioimpedancia en múltiples frecuencias configurables,

procesar los datos para obtener el módulo y la fase de la bioimpedancia (o parte real e imaginaria de la bioimpedancia) en cada una de las frecuencias, y transmitir de forma inalámbrica los resultados del procesado, el cual se configura mediante un dispositivo que está en contacto con el medio biológico a medir por medio de una serie de electrodos de forma que, a través de los citados electrodos, el dispositivo inyecta corriente eléctrica dentro del medio biológico en las diferentes frecuencias y mide la tensión producida por la circulación de dicha corriente en base al funcionamiento conjunto de varios subsistemas.

Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo de sensorización portable capaz de realizar medidas de bioimpedancia en múltiples frecuencias configurables, procesar los datos para obtener el módulo y la fase de la bioimpedancia (o parte real e imaginaria de la bioimpedancia) en cada una de las frecuencias, y transmitir de forma inalámbrica los resultados del procesado.

Tiene su aplicación en el área de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en el contexto de la ingeniería biomédica y la tecnología médica, para el desarrollo de dispositivos electrónicos portables de monitorización continua de variables fisiológicas de las personas y de su estado de salud.

ANTECEDENTES EN EL ESTADO DE LA TÉCNICA

La técnica de medida de bioimpedancia se basa en la inyección en el cuerpo humano o en un tejido a medir, de una corriente eléctrica alterna de intensidad muy pequeña, muy por debajo de los umbrales de percepción. La corriente eléctrica produce una caída de tensión eléctrica, tanto mayor cuanto mayor sea la impedancia eléctrica del tejido. Esta técnica comenzó a aplicarse en 1930, cuando Atzler y Lehman comprobaron que los cambios de fluidos en la cavidad torácica como resultado del bombeo de la sangre por el corazón producían también cambios en la impedancia torácica [1]. Holzer et al. fueron los primeros en aplicar una señal alterna para evitar los problemas de polarización de electrodos en las medidas de bioimpedancia [2]. En 1966, en colaboración con el programa Apollo, se desarrolló el primer dispositivo para la monitorización de parámetros hemodinámicos, abriendo paso al desarrollo de la cardiografía de impedancia para la estimación del volumen sistólico [1]. Este principio es la base del cardiógrafo de

impedancias, el cual también ha sido utilizado durante varias décadas para la estimación del gasto cardiaco mediante la ecuación de Kubicek [3].

A partir de entonces, la bioimpedancia ha sido aplicada en el desarrollo de nuevos instrumentos y dispositivos de diagnóstico médico. En 1978 Webster y Henderson intentaron reproducir las técnicas de tomografía de rayos X, aplicando señales eléctricas de baja frecuencia [4]. Pero no fue hasta los años 80, cuando la Universidad de Sheffield desarrolló las bases de lo que se entiende hoy por tomografía de impedancia eléctrica, a partir de la cual, midiendo los potenciales eléctricos sobre la superficie del cuerpo, se pueden obtener imágenes relacionadas con la distribución de impedancias en el interior de un cuerpo [5], [6].

Teniendo en cuenta que la impedancia de los tejidos cambia de acuerdo con el estado fisiológico de los mismos, esta técnica también ha sido utilizada para monitorizar la viabilidad de los órganos trasplantados [7], para conocer el estado de hidratación de la piel o el diagnóstico de patologías cutáneas [8], [9], e incluso como método de medida no invasiva del nivel de glucosa en sangre [10][12]. Además, la bioimpedancia ha sido utilizada en el laboratorio clínico como herramienta para medidas celulares (contador coulter, medidas de hematocrito o monitorización de cultivos celulares) [1], [13][17] y la detección de sustancias en Lab-on-a-Chip [18],

Una de las aplicaciones más importantes de la bioimpedancia es el estudio de la composición corporal, de gran utilidad clínica en diferentes áreas: nefrología [1], [19][23], nutrición [24], [25], obstetricia [26], gastroenterología [27], en el seguimiento del postoperatorio [28], de pacientes infectados con VIH [29], con déficit de la hormona del crecimiento [30], obesos [31], [32] o en cuidados críticos [33], [34]. En 1963, Tomasset realizó las primeras estimaciones del agua corporal total a partir de la medida de la bioimpedancia de todo el cuerpo utilizando una corriente alterna de frecuencia fija [35].

Desde entonces, las medidas de bioimpedancia han sido utilizadas de forma amplia en numerosas patentes, que presentan métodos y dispositivos tanto para la cuantificación de la composición corporal, la estimación de los volúmenes de líquidos y la localización anatómica de masas (músculos, grasas, agua) [36][44], así como para otras aplicaciones

como la estimación de la presión arterial [45], [46], el volumen sistólico [47], el gasto cardíaco [48][52], la frecuencia respiratoria y ritmo cardíaco [52][55], el nivel de glucosa en sangre [56], [57] o la monitorización de tejidos [47], entre otros.

Existen diversas patentes que explican los componentes internos que componen los dispositivos que protegen, así como su operación, para la obtención de la señal de bioimpedancia. Aquellas patentes que muestran un mayor detalle, se limitan a describir una panorámica global de los principales elementos empleados por el dispositivo patentado para llevar a cabo la medición. De forma generalizada, el esquema empleado comprende los siguientes elementos: una etapa de sensorización compuesta por varios electrodos junto a la electrónica encargada de la captación de la señal de bioimpedancia, la cual normalmente incluye etapas de filtrado, amplificadores y convertidores analógico/digitales (A/D) y digitales/analógicos (D/A); un procesador o elemento de computación; una memoria para el almacenamiento de datos relevantes; y, solo en algunos casos, una etapa de comunicaciones para el envío de los datos procesados al exterior. Sin embargo, el grado de descripción a nivel interno de estos módulos suele ser insuficiente, y en particular, el análisis de la electrónica de detección y acondicionamiento de la señal es mayoritariamente escaso. Es el caso por ejemplo, de la patente (US7917202) [40], cuya principal aportación al estado de la cuestión es un modelo refinado que incluye las contribuciones de los tejidos intracelulares para permitir una medida más precisa a dos o más frecuencias. Sin embargo, para la medición de la señal de bioimpedancia, los autores remiten a instrumentación médica especializada (del fabricante Xitron Technologies), sin entrar en más detalles. La patente (US6615077) [41], que incluye un método para determinar el peso seco del cuerpo de un paciente mediante medidas segméntales basadas en análisis de bioimpedancia eléctrica, también utiliza una solución del mismo fabricante para la toma de datos de bioimpedancia. De nuevo, la patente (US7945317) [58], que describe un método mejorado multifrecuencial para realizar un análisis de bioimpedancia de un segmento corporal del sujeto, sugiere que para la aplicación de la corriente y la grabación de tensión se utilice una solución comercial. Lo mismo sucede con la patente (US20110275922) [59], que en este caso señala que el procesado de los datos puede realizarse mediante este equipamiento u Online usando una computadora aparte. La patente (US20060122540) [60] proporciona un método para determinar el estado de hidratación de pacientes en diálisis peritoneal y

hemodiálisis, y describe entre los módulos empleados un dispositivo para calcular de forma continua la circunferencia de un segmento corporal, basado en un Procesador Digital de Señal (DSP). Aunque, al igual que las anteriores, para el sistema de medida se recomienda emplear instrumentación médica del fabricante referenciado.

Por otro lado, hay un conjunto de patentes que realizan aportaciones puntuales al esquema global anteriormente planteado, para la mejora de alguno de los elementos de la electrónica del dispositivo que intervienen en el proceso de medición. Por ejemplo, la patente (US20130046165) [61], que describe un sensor de bioimpedancia capacitivo, incluye un pre-procesador de señal ad-hoc, que está acoplado al sensor. Además, en una de sus realizaciones preferentes, el circuito de sensado mide la impedancia relativa al emplear uno o más puentes de Wheatstone. La patente (US20060004300) [62] presenta un método para estimar la bioimpedancia a múltiples frecuencias mediante un circuito LFSR (Linear Feedback Shiñ Registei), que produce una secuencia pseudo-aleatoria que alimenta al conversor D/A. La patente (US7457660) [63] incluye un mecanismo de eliminación de errores en las medidas de bioimpedancia, basado la separación del valor de bioimpedancia de otras fuentes de error a partir de las medidas sobre dos secciones corporales similares. La patente (US20050012414) [64] presenta un aparato especialmente diseñado para suministrar una segunda fuente de alimentación para dispositivos electrónicos de tipo flotante, y así se consigue que el aparato satisfaga los requisitos de seguridad médica para la medida de bioimpedancia. La patente (US20040171963) [65] presenta un método de...

1.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) caracterizado por llevarse a cabo a partir de los siguientes subsistemas:

a) Un subsistema de sensorización (2) que incorpora el hardware necesario para realizar las medidas de bioimpedancia.

b) Un subsistema de procesado (3), que integra los elementos hardware, software y firmware encargados de la correcta activación y configuración de los diferentes módulos del subsistema de sensorización y del procesado asociado a la estimación de los valores de bioimpedancia.

c) Un subsistema de comunicaciones (4), que integra los elementos hardware, software y firmware encargados de las comunicaciones inalámbricas bidireccionales del dispositivo.

d) Un subsistema de almacenamiento de datos (5), encargado del correcto almacenamiento de los datos.

e) Un subsistema de temporización (6), encargado del mantenimiento de un sistema de temporización en tiempo real, de la asignación a cada medida del instante temporal en el que éstas fueron realizadas y de avisar al subsistema de procesado de los instantes de realización de operaciones.

f) Un subsistema de energía (7), el cual se encarga de proporcionar las tensiones de alimentación necesarias para el correcto funcionamiento del resto de subsistemas.

2.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según reivindicación 1, caracterizado por su subsistema de sensorización que consiste en:

a) Un módulo (Mi) que genera una señal (S^ de tensión senoidal de amplitud fija (Ai) cuya frecuencia (f,) puede ser configurada.

b) Un módulo (M2) que amplifica con una ganancia (A2) la señal (Si) para generar la señal (S2).

c) Un módulo (M3) que convierte la señal de tensión (S2) en una señal de corriente (S3) de amplitud de corriente fija (A) y con la misma frecuencia (fi), la cual es inyectada en el medio biológico a medir a través de dos electrodos (electrodos distales).

d) Un módulo (M4) que amplifica con una ganancia (A4) la tensión detectada a través de otros dos electrodos (electrodos proximales), generando la señal (S4).

e) Un módulo (M5) que amplifica con una ganancia configurable (As) la señal (S4) para generar la señal (S5).

f) Un módulo (M6) que genera una señal (S6) de tensión senoidal con el mismo valor de amplitud (Ai) y con la misma frecuencia (fi) que la señal (Si), pero con una diferencia de fase (<p6) respecto de ella configurable.

g) Un módulo (M7) que amplifica con una ganancia (A7) la señal (S6) para generar la señal (S7).

h) Un módulo (M8) multiplexor cuya salida (S8) puede configurarse para que se corresponda con la señal (S7) en la posición A o la señal (S4) en la posición B.

i) Un módulo diferencia (Ms) que genera la señal (S9) como resultado de restar la señal (S5) a la señal (S8).

j) Un módulo (M10) que genera la señal (S10) como resultado de la multiplicación de la señal (S8) y la señal (S9).

k) Un módulo (Mu) que genera la señal (Su) como resultado de un filtrado paso de baja de la señal (Sio)-

l) Un módulo (M12) que amplifica con una ganancia configurable (A12) la señal (Su) para generar la señal (S12).

m) Un módulo (M13) encargado de convertir la señal analógica (S12) en señales digitales.

n) Un módulo (M14) que permite multiplexar la corriente inyectada y la tensión detectada para estimar la bioimpedancia de diferentes secciones corporales.

o) Un módulo (M15) que comprende los electrodos del sistema de sensorización, tanto para inyección de corriente (electrodos distales) como para detección de tensión (electrodos proximales) y los cables y conectores que unen dichos electrodos con el módulo (M14).

3.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según reivindicación 1, caracterizado por su subsistema de procesado que consiste en:

a) Un módulo de procesado (MPi) para la estimación de los valores de bioimpedancia mediante una pseudo-demodulación de señales en cuadratura.

b) Un módulo de procesado (MP2) para aumentar la precisión de los valores de bioimpedancia mediante una segunda pseudo-demodulación de señales en cuadratura.

c) Un módulo de procesado (MP3) para la estimación de los valores de bioimpedancia mediante aproximaciones sucesivas, estableciendo como valores correctos aquéllos que minimizan el desajuste entre la señal detectada y la que se detectaría si la bioimpedancia tuviera los valores analizados.

d) Un módulo de procesado (MP4) para el seguimiento del módulo y la fase de la impedancia en una determinada frecuencia, en el que una tasa de muestreo definirá el tiempo entre estimaciones consecutivas, pudiendo emplear cualquiera de los módulos anteriores (MPA (MP2) o (MP3), de forma aislada o

complementaria, en una configuración especial que analice únicamente la frecuencia de operación.

e) Un módulo de procesado (MP5) para el seguimiento del módulo de la impedancia en una determinada frecuencia, en el que una tasa de muestreo definirá el tiempo entre estimaciones consecutivas.

4.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según reivindicación 1 y 3, caracterizado porque su módulo de procesado (MP5) emplea para calcular el módulo de la bioimpedancia, la ecuación que se muestra a continuación estando el módulo (Ms) configurado en la posición B y la ganancia (A5) configurada a 0,

5.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según

reivindicación 1, 3 y 4 caracterizado porque sus medidas de bioimpedancia pueden ser activadas de forma local en el sensor inteligente mediante un pulsador, de forma remota mediante el envío de un comando, o pueden ser auto-activadas en una serie de instantes temporales pre-configurados mediante comandos.

6.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según

reivindicación 1, provisto de subsistema de procesado según reivindicaciones 3, 4 y 5,

caracterizado porque alternativamente los módulos de procesado (MPA (MP2), (MP3), (MP4) y (MP5), pueden ser actualizados de forma remota a través del subsistema de comunicaciones.

7.- Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según

reivindicación 1, provisto de subsistema de procesado según reivindicaciones 3, 4, 5 y 6, caracterizado por el funcionamiento autónomo del sensor inteligente en base a un protocolo re-configurable mediante comandos que define los módulos de procesado que pueden activarse, la secuencia de activación de los mismos y sus parámetros de operación.

[Ecuación 37]

8.- Método empleado en el módulo de procesado (MP*) comprendido en el subsistema de procesado del Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1), caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

a) Una primera pseudo-demodulación en fase (Fase l.a) (8) en la que se almacena el valor de la señal (S12) para cada frecuencia (S12|,.a) estando el subsistema de sensorización configurado para que A5 y A12 tomen el valor uno, cp6 tome el valor 0 y (M8) en la posición A.

b) Una primera pseudo-demodulación en cuadratura (Fase ll.a) (9) en la que se almacena el valor de la señal (S12) para cada frecuencia (Sí2|.a) estando el subsistema de sensorización configurado para que As y A12 tomen el valor uno, <p6 tome el valor tt/2 y (Ma) en la posición A.

c) Una primera aproximación a los valores de bioimpedancia (Fase lll.a) (10) en la que a partir de los valores almacenados en las fases l.a y ll.a se calcula el módulo y la fase de la impedancia para cada frecuencia utilizando las siguientes ecuaciones:

A ^ Ab

Médula = ---- [Ecuación 25]

Ai

Fase = tan-1 [Ecuación 26]

Siendo:

- ^12 lia

Ai ® ^ ^4

[Ecuación 27]

Cn

[Ecuación 28]

Ab = Jcj* + C¡¡s [Ecuación 29]

9.- Método empleado en el módulo de procesado (MP2) comprendido en el subsistema de procesado del Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

a) Una segunda pseudo-demodulación en fase (Fase l.b) (11) en la que se desarrolla un

proceso equivalente al realizado durante la fase l.a de la reivindicación (8), pero adaptando los valores de las ganancias A5 y A12 de acuerdo a un criterio que maximiza la relación señal (S12) frente al ruido.

b) Una segunda pseudo-demodulación en cuadratura (Fase ll.b) (12) en la que se

desarrolla un proceso equivalente al realizado durante la fase ll.a de la reivindicación (8), pero adaptando los valores de las ganancias A5 y A12 de acuerdo a un criterio que maximiza la relación señal (S12) frente al ruido.

c) Una segunda aproximación a los valores de bioimpedancia (Fase III.b) (13) en la que, a

partir de los valores almacenados en las fases l.b y ll.b, se calcula el módulo y la fase de la impedancia para cada frecuencia utilizando las siguientes ecuaciones:

Módulo = [Ecuación 30]

Ai

7^) [Ecuación 31]

Siendo:

[Ecuación 32]

Ai

A7 *j44 *s

[Ecuación 33]

Ab = Jcm* + C/v* [Ecuación 34]

10.- Procedimiento para maximizar la relación de la señal (S12) frente al ruido en el módulo 5 de procesado (MP2) comprendido en el subsistema de procesado del Sensor Inteligente

de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según reivindicación 9, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

a) Configuración de la ganancia (A7) para que el parámetro (Cv) esté próximo al máximo

valor admisible del módulo (M13), teniendo en cuenta que:

Cv = 7 2^~ [Ecuación 35]

b) Definir un valor para la ganancia (A5) que aproxime el valor del parámetro (Cvi) al

parámetro (Cv) de tal modo, que la diferencia (Cv) - (Cvi) sea siempre positiva, teniendo

en cuenta que:

Cv¡ = 7 *A1*A5*A4 *Ab * eos (<pB - <p6) [Ecuaci6n 36_]

c) Definir un valor para la ganancia (A12) de tal forma que la señal (S12) se aproxime al

máximo valor admisible del módulo de conversión Analógico-Digital (M13).

11.- Procedimiento para la obtención de valores para el módulo y la fase de la bioimpedancia en cada medida multifrecuencia del Sensor Inteligente de Bioimpedancia para Aplicaciones Biomédicas (1) según reivindicaciones 8, 9 y 10, caracterizado por que 5 los mismos son propuestos como una función de las estimaciones proporcionadas por uno

o varios de los módulos de procesado (MP,), (MP2) o (MPs)-