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 1jnsf21@hotmail.com

2lmzurita2008@gmail.com 3mervisyetsa@yahoo.com

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

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[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

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[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]