Diseño de un Sistema de Determinación de Bioimpedancia
-
Upload
mervis-villanueva-isaba -
Category
Documents
-
view
241 -
download
3
Transcript of Diseño de un Sistema de Determinación de Bioimpedancia
Diseño de un Sistema de Medición de Bioimpedancia
para la Detección de Microorganismos Jesús Sánchez Fernández
1, Luis Zurita Landaeta
2, Mervis Villanueva Isaba
3
Maestría Informática Industrial y Automatización
Instituto Universitario de Tecnología Cumaná, Cumaná, Estado Sucre, Venezuela
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana, Cuba [email protected]
[email protected] [email protected]
Resumen.-La Microbiología de Impedancia se ha
convertido en una técnica de detección y cuantificación
de microorganismos patógenos notablemente ventajosa
con respecto a métodos clásicos como el contaje en
placas. Este estudio plantea el diseño de un sistema
electrónico de medida capaz de determinar la
impedancia en un medio de cultivo inoculado, con la
finalidad de detectar el crecimiento de microorganismos.
El diseño abarca las etapas de captura,
acondicionamiento de la señal, conversión análogo-
digital (fron-end) y la unidad de procesamiento basada
en microcontroladores PIC de la familia 16, que incluye
el programa en diagramas de flujo. Para demostrar el
funcionamiento del sistema de medición se hace uso de
un software de simulación de circuitos electrónicos.
Palabras clave: impedancia, microcontroladores,
microbiología
I. INTRODUCCIÓN
Cuando las bacterias patógenas crecen en alimentos y
en el medio, como parte de un proceso metabólico
normal rompen proteínas, grasas y otras moléculas
relativamente largas para convertirlas en aminoácidos,
ácidos grasos y otros químicos más pequeños. El
aumento en estas cargas químicas incrementa la
capacidad del medio de conducir cargas eléctricas.
Como resultado, conforme los microorganismos crecen,
ocurren cambios importantes en la impedancia eléctrica
[2].
Con la finalidad de determinar la presencia y
crecimiento de microorganismos se han diseñado
instrumentos para medir exactamente los cambios por
minuto en la impedancia y conductancia en intervalos
regulares de tiempo, registrando automáticamente el
tiempo requerido para cambios significativos en la
impedancia.
El diseño de estos instrumentos está basado en
diferentes métodos de medición que se han venido
utilizando desde los inicios de las investigaciones de
Microbiología de Impedancia. Los métodos más
comunes son el análisis de redes, la medida en puente, la
medida de I-V, el puente autobalanceado, la resonancia
[3] y reflectometría [4].
Estas técnicas de medición de impedancia han ido
evolucionando gracias al desarrollo de potentes sistemas
electrónicos de procesamiento digital, como es el caso
de los microcontroladores que permiten realizar miles de
millones de operaciones por segundo.
II. ESPECTROSCOPÍA DE IMPEDANCIA
El procedimiento experimental utilizado en
espectroscopía de impedancia es el de aplicar una
pequeña señal eléctrica senoidal a un electrodo y medir
su respuesta a diferentes frecuencias obteniendo como
resultado un valor de impedancia para cada Frecuencia
(espectro de impedancia) [1][7].(Ver Figura 1) Se utilizan bajas densidades de corriente para evitar
daños a los tejidos, principalmente debido a los efectos
de calentamiento (entre 10 µA a 1 mA).
Fig.1 Medida de impedancia
Los productos metabólicos creados durante el
crecimiento de microorganismos modifican la
composición del medio, cambiando el contenido iónico,
lo cual a la vez origina un cambio de la conductividad
del medio de cultivo. Estos cambios son registrados en
el tiempo al producirse variaciones en la interfaz
electrodo-electrolito-muestra. Tales modificaciones son
proporcionales a la concentración de microorganismos
vivos, que puede ser registrada mediante técnicas
impedimétricas [10].
Debido a las componentes capacitivas de los
materiales se produce un desfase ϕ entre las señales,
siendo por tanto la impedancia un valor complejo
(Ecuación 1).
A. Muestra – Electrodo
Desde el punto de vista estructural, el principal
componente de una muestra biológica son las células.
Las células a su vez están formadas por una membrana
que separa el medio intracelular del extracelular (ambos
electrolíticos), actúa como una interfase dieléctrica
similar al modelo de las placas de un condensador,
dando características dieléctricas a la célula, permitiendo
así realizar la medición de impedancia, donde además se
debe considerar el efecto de los electrodos.
El electrodo es la interfase entre el sistema
electrónico y el sistema físico (tejido biológico,
disolución, etc.) que permite aplicar y registrar un
estímulo eléctrico sobre una muestra. Debe diseñarse
con materiales lo más inertes posibles que minimicen su
deterioro, ya que si éste llegase a producirse liberaría
sustancias al medio produciendo alteración en la
composición de la muestra [6], de aquí la necesidad de
que los electrodos sean biocompatibles, generalmente
fabricados con platino, acero inoxidable, plata, clorato
de plata, entre otros.
Cuando se introduce un electrodo, sin aplicar ningún
estímulo sobre él, sólo por el hecho de entrar en contacto
el metal y los iones, se produce una reordenación de las
cargas. Éstas se distribuyen de forma que en el
perímetro del electrodo se posicionan todas las cargas
negativas y en la superficie contigua a él se orientan las
cargas positivas presentes en el electrolito. Cuando se
estimula eléctricamente, se produce una transferencia de
carga de la superficie del electrodo al electrolito [6].
La existencia de este proceso hace que pueda
establecerse una semejanza entre el sistema electrodo-
electrolito y un modelo eléctrico equivalente
configurado por dos componentes: Capacidad (Cd),
proveniente de la doble capa eléctrica, y resistencia en
paralelo (Rd) denominada impedancia farádica (Figura
2). Este modelo está estrechamente relacionado con la
geometría de los electrodos y la naturaleza de la muestra
(impedancia del electrolito (Re)) [6].
Fig. 2 Esquema equivalente del sistema electrodo-electrolito.
De forma aproximada se puede modelar la
impedancia mediante circuitos eléctricos denominados
modelos de parámetros concentrados. En la Figura 3 se
puede observar uno de los circuitos eléctricos más
utilizados, el modelo de Fricke. Consiste en una
resistencia para simular el comportamiento del medio
extracelular (Re), otra para el medio intracelular (Ri) y
una capacidad para la membrana (Cm) [6].
Fig. 3 Elementos capacitivos y resistivos en una suspensión celular
simplificada.
III. ARQUITECTURA BÁSICA DE UN SISTEMA
ELECTRÓNICO DE MEDICIÓN
Un sistema de medición es el conjunto de
dispositivos electrónicos que permiten captar,
acondicionar, transmitir, filtrar, y procesar el valor de
una determinada variable dentro de un proceso. Las
diferentes etapas que caracterizan a estos sistemas de
medición y sus funciones se pueden apreciar en la
Figura 4.
Fig. 4 Sistema de Medición Electrónico
III. SISTEMA ELECTRÓNICO DISEÑADO
El sistema de medida diseñado consta de varias
etapas a saber, cuya función va desde la generación de
las señales, filtrado, amplificación, retención y
muestreo, hasta la visualización, todas necesarias para
lograr el objetivo del circuito.
A. Generación de la Señal de Corriente Alterna
En esta etapa se utilizó un PIC16F84A para generar
las máscara que se ingresará al convertidor digital –
analógico, cuyos voltajes de referencia + y -, están
conectados a dos baterías de 1,5 vdc. La máscara posee
35 valores que sirven de base para la señal senoidal a
inyectarse a la muestra.
Fig. 5 Generación de señal alterna de 1,5 vp con 1 kHz de frecuencia.
(1)
B. Filtrado de la Señal de Corriente
La señal que se genera desde el DAC posee rampas no
deseadas que deben ser filtradas para obtener una señal
alterna más adecuada para a los requerimientos. Para esta
tarea se eligió un filtro Sallen – Key de 2do orden con una
frecuencia de corte= 2Fin. La Figura 6 muestra la señal
antes del filtrado (amarilla) y después del filtrado
(magenta).
Fig. 5 Circuito Electrónico para Filtrar la Señal de Corriente Alterna.
Fig. 5 Señal de Corriente sin Filtrar y luego del Filtrado.
C. Fuente de Corriente Howland
La fuente de corriente Howland permite entregar una
corriente constante, independientemente de la carga, lo
cual se adapta a las exigencias del presente diseño, que
se estimó en 10 μA, cumpliendo así con los parámetros
establecidos en cuanto a niveles de corriente.
Fig. 7 Circuito Howland.
D. Captura de señal (Electrodos)
Esta etapa abarca al sensor instalado en el proceso,
para el caso se refiere a los electrodos y la muestra
donde se desea medir impedancia. Cabe destacar que en
Microbiología de Impedancia no está claro qué tipo de
teorías emplear para modelar la interfase electrodo-
electrolito [9], ya que tanto la geometría de los
electrodos como la naturaleza de las muestras dificultan
enormemente la obtención de un modelo fiable para el
conjunto electrodo-muestra. Por lo que en el diseño se
trabaja con una aproximación de la impedancia,
representada sólo por la variación de una resistencia. DE
esta etapa se obtiene las señales de entrada de corriente y
voltaje de la muestra en estudio que serán
acondicionadas por los amplificadores de
instrumentación en las siguientes etapas.
Fig. 7 Circuito Equivalente del Conjunto electrodo-Muestra.
E. Acondicionamiento de las Señales de Voltaje y Corriente
En esta etapa, se utilizó un amplificador de
instrumentación de ganancia 1000, así como un sumador
de voltaje que permitió aplicar un voltaje de offset de
2,5 vdc para desplazar la señal ac a valores positivos del
voltaje de la muestra, adecuándose para el convertidor
analógico digital intrínseco en el microcontrolador
PIC16F877.
Fig. 8 Acondicionamiento de la Señal de Voltaje de la Muestra.
De manera similar, se acondicionó el voltaje
equivalente a la corriente proveniente de la muestra, el
cual, necesitó de un amplificador adicional no inversor
de ganancia 1000, motivado al bajo voltaje presente
(μV).
Fig. 8 Circuito de Acondicionamiento de la Señal de Voltaje equivalente a
la Corriente de la Muestra.
D. Retención y Muestreo
Una vez que las señales de voltaje y corriente
provenientes de la muestra son acondicionadas, es
necesario sincronizar el muestreo mediante un circuito
Sample&Hold. El control es realizado desde un pin
(RB0) del puerto B para tomar las muestras de voltajes
sin que se produzca un desfasaje pronunciado entre
ellas.
Fig. 8 Circuito Sample & Hold.
E. Visualización de los Datos Se utilizó un PIC16F877 como unidad de
procesamiento de datos, cuya función es la convertir las
señales de corriente y voltaje, provenientes de la muestra
en estudio, para su posterior análisis matemático en
función de la impedancia equivalente y su visualización
en una pantalla LCD.
Fig. 8 Circuito para la visualización de la información
V. RESULTADOS
Los resultados obtenidos son satisfactorios tomando
en consideración las limitantes de tiempo e información
disponible referente al tema de investigación.
Para determinar el voltaje máximo de la señal alterna
se aplicó un algoritmo de tres muestras, lo que introduce
un margen de error mayor al esperado.
Se aplicó un circuito sample & Hold buscando
mejorar el sincronismo en el muestreo, sin embargo los
resultados fueron similares a los obtenidos antes de
incluirlo.
VI. CONCLUSIONES
El diseño o elección de los electrodos es uno de los
puntos más críticos en este tipo de experiencias, ya que
se debe considerar las características de los electrodos y
la naturaleza de la muestra.
El material de los electrodos debe ser biocompatibles
para que no se produzcan reacciones químicas
indeseadas que deterioren la muestra y hasta el mismo
electrodo.
Se debe realizar la medida de impedancia utilizando
valores pequeños de corriente (µA), para garantizar que
no se altere la composición de la muestra, ya que esto
podría originar resultados inciertos.
La toma de los datos de corriente y voltaje para el
cálculo de la impedancia introduce una fuente de error
debida a la pérdida de sincronismo. Esto puede
corregirse aplicando un algoritmo optimizado de
muestreo tomando un mayor número de datos.
El diseño adecuado de un medidor de impedancia
como el que se plantea en la propuesta, supone una
reducción de costos con respecto a un equipo comercial
con características similares.
REFERENCIAS
[1] J. R. Macdonald, E. Barsoukov. Impedance Spectroscopy. Theory,
Experiment and Applications. 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc. 2005.
[2] Nuevos métodos rápidos para detectar patógenos y alérgenos para mantener la seguridad de productos lácteos. [
http://www.infoleche.com/nota.php?ID=719]
[3] Agilent Technology. Impedance measurement handbook. A guide to measurement technology and techniques 4th Edition. 2009.
[4] Paco Bogonez Franco. Medidas de Bioimpedancia para la Detección del
Estado de los Órganos. Universidad Politécnica de Catalunya, Dpto.
Ingeniería Electrónica. 2006.
[http://www.jcee.upc.es/JCEE2006/pdf_ponencies/PPTs/Mesura%20bioimpe
dancies___JCEE-2006%20-%20Bogonez.pdf]
[5] Uwe Pliquett. Bioimpedance: A Review for Food Processing. 2010.
[http://www.springerlink.com/content/1061g61277142gt3/fulltext.pdf]
[6] Rafael Masot Peris. Desarrollo de un Sistema de Medida Basado en Espectroscopía de Impedancia para la Determinación de Parámetros
Fisicoquímicos en Alimentos. Universidad Politécnica de Valencia, Dpto.
Ingeniería Electrónica. 2010. [http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/8502/tesisUPV3356.pdf]
[7] A. J. Bard, L. R. Faulkner. Electrochemical Methods: Fundamentals and
Applications. John Wiley & Sons, Inc. 2001.
[8] G. P. Drago, S. Ridella. Evaluation of electrical fields inside a biological
structure. Br. J. Cancer 45 (1982) 215.
[9] Felipe J. Carmelo. Microbiología de Impedancia tp(Extracto de Tesis Doctoral)
[http://www.herrera.unt.edu.ar/bioingenieria/Temas_inves/MZ/mz.htm]
[10] Ramírez Nardo, Regueiro Angel, Arias Olimpia, Contreras Rolando. Espectroscopía de impedancia electroquímica, herramienta eficaz para el
diagnóstico rápido microbiológico.
[http://elfosscientiae.cigb.edu.cu/PDFs/BA/2009/26/1/BA002601EN065-071.pdf]
[11] González Humberto. "Señales Biomédicas." 2009.
[http://www.angelfire.com/un/biomedicafime/CLASE_5.pdf]