IMPEDANCYJNA METODA WYKRYWANIA ZABURZEŃ KRĄŻENIA KRWI DO OKREŚLENIA STOPNIA NIEDOKRWIENIA KOŃCZYNY

New engineering technologies allow the creation of diagnostic devices for predicting the development of acute tissue ischemia of the extremities and determining the residual time until the removal of the tourniquet, and solving these tasks is particularly relevant during military actions. Acute limb ischemia is a sudden critical decrease in perfusion that threatens the viability of the limb. The incidence of this condition is 1.5 cases per 10 000 people per year. Acute ischemia occurs due to the blockage of blood flow in major arteries (embolism, thrombosis, trauma), leading to the cessation of adequate blood supply to metabolically active tissues of the limb, including the skin, muscles, and nerve endings. To address these issues, the article analyzes the changes in the impedance of biological tissue. The introduction and use of the coefficient of relative electrical conductivity, denoted as k, as a diagnostic criterion parameter, are justified. Experimental studies of changes in the coefficient of relative electrical conductivity k were conducted, confirming that the transition from exponential to linear dependencies of the coefficient establishes the degree of viability of the biological cell (tissue) and the moment of occurrence of reperfusion syndrome. It has been established that a deviation of the value of k by 10–15% from its unit value diagnoses the initial process of blood perfusion impairment and the development of ischemic tissue disease. The rate of change of k serves as a criterion for predicting the progression of the disease and as a corrective factor for therapeutic treatment.Nowe technologie inżynieryjne umożliwiają tworzenie urządzeń diagnostycznych do przewidywania rozwoju ostrego niedokrwienia tkanek kończyn i określania czasu pozostałego do usunięcia opaski uciskowej. Rozwiązanie tych zadań jest istotne, zwłaszcza podczas operacji wojskowych. Ostre niedokrwienie kończyny to nagłe, krytyczne zmniejszenie perfuzji, które zagraża żywotności kończyny. Częstość występowania tego schorzenia wynosi 1,5 przypadku na 10 000 osób rocznie. Do ostrego niedokrwienia dochodzi w wyniku zablokowania przepływu krwi w głównych tętnicach (zatorowość, zakrzepica, uraz), co prowadzi do ustania odpowiedniego ukrwienia metabolicznie aktywnych tkanek kończyny, w tym skóry, mięśni i zakończeń nerwowych. Aby rozwiązać wybrane problemy, w artykule przedstawiono analizę zmiany impedancji tkanki biologicznej. Uzasadnione jest wprowadzenie i stosowanie współczynnika przewodności elektrycznej względnej k, jako parametru kryterium diagnostycznego. Przeprowadzono eksperymentalne badania zmiany współczynnika względnego przewodnictwa elektrycznego k, które potwierdziły, że przejście zmiany współczynnika względnego przewodnictwa elektrycznego z zależności wykładniczej na liniową będzie determinować stopień żywotności komórki biologicznej (tkanki) i moment wystąpienia zespołu reperfuzyjnego. Ustalono, że odchylenie wartości k o 10–15% od jego wartości jednostkowej świadczy o początkowym procesie zaburzenia perfuzji krwi i rozwoju choroby niedokrwiennej tkanek, a szybkość zmiany jest kryterium do przewidywania rozwoju choroby i czynnika korygującego w postępowaniu terapeutycznym

Bioimpedanciómetro basado en microcontrolador de 32 bits

En este trabajo se presenta el desarrollo de un bioimpedanciómetro basado en un diseño propio, de implementación simple, tamaño reducido y bajo costo basado en un microcontrolador de 32 bits de arquitectura ARM. Se describe el sistema por completo y se muestran registros de medidas en diversas situaciones. Se presenta también el desarrollo de una aplicación en PC que permite visualizar en tiempo real distintas variables de interés en la medida de bioimpedancia. La validación del sistema implementado constituye un punto de partida sólido para el desarrollo de una segunda versión vestible y con enlace inalámbrico.This work presents the development of a proprietary bioimpedance meter based on an own design, simple to implement, small in size and low cost, based on a 32-bit microcontroller with ARM architecture. The entire system is described, and measurement logs are shown in various situations. The development of a PC application that allows real-time visualization of different variables of interest in bioimpedance measurement is also presented. The validation of the implemented system constitutes a solid starting point for the development of a second version embedded in a wearable system with a wireless link.Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale

Challenges and Applications of Impedance-Based Biosensors in Water Analysis

Monitoring of the environment is a global priority due to the close connection between the environmental pollution and human health. Many analytical techniques using various methods have been developed to detect and monitor the levels of pollutants (pesticides, toxins, bacteria, drug residues, etc.) in natural water bodies. The latest trend in modern analysis is to measure pollutants in real-time in the field. For this purpose, biosensors have been employed as cost-effective and fast analytical techniques. Among biosensors, impedance biosensors have significant potential for use as simple and portable devices. These sensors involve application of a small amplitude AC voltage to the sensor electrode and measurement of the in-/out-of-phase current response as a function of frequency integrated with some biorecognition element on the sensing electrodes that can bind to the target, modifying the sensor electrical parameters. However, there are some drawbacks concerning their selectivity, stability, and reproducibility. The aim of this paper is to give a critical overview of literature published during the last decade based on the development issues of impedimetric biosensors and their applicability in water analysis

Pourous liquid metal-elastomer composites

It is known that liquid metal-elastomer composites are promising soft conductors for skin-interfaced bioelectronics, soft robots, and other applications due to their large stretchability, ultrasoftness, high electrical conductivity, and mechanical-electrical decoupling. There is, however, a high level of deformation-induced leakage, which can result in smears on the skin, poor performance of the device, and short circuits in the circuit. By using phase separation, we describe the synthesis of porous liquid metal-elastomer composites with high leakage resistance and antimicrobial properties. Furthermore, these composites exhibit high stretchability, tissue-like compliance, high electrical conductivity, high breathability, and compatibility with magnetic resonance imaging. As a result of damping effects, porous structures can minimize leakage and reduce liquid metal usage. In addition to monitoring cardiac electrical and mechanical activity, skin-interfaced bioelectronics can deliver electrical stimulation in a mechanically imperceptible and electrically stable manner.Includes bibliographical references

Development of a portable bioimpedance monitor system for Chronic Kidney Disease Patients and high performance athletes

El presente artículo da cuenta de la investigación para la innovación, diseño y desarrollo industrial de un dispositivo médico portable que obtiene datos relevantes de la bioimpedancia humana con precisión clínica, desarrollado en el Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Sevilla en conjunto con el Tecnológico de Costa Rica para su diseño industrial. Los sistemas de bioimpedancia son una saliente novedosa en el campo de la e-salud, sin embargo, el incremento de la expectativa de vida y la inclusión de tecnología de monitoreo en aplicaciones deportivas han aumentado la necesidad de dispositivos médicos más portables, precisos y comerciables a nivel masivo, con el objetivo de empoderar al usuario sobre su situación médica. El método utilizado fue una investigación cualitativa centrada en el usuario mediante una metodología guía desarrollada por el autor, el modelo Divergente-Convergente Proyectual (DGC) centrado en el usuario. Los hallazgos más importantes fueron el diseño novedoso de un bioimpedancímetro portable para pacientes con afecciones renales crónicas y deportistas de alto rendimiento, así como el uso de una metodología novedosa para el desarrollo de productos médicos portables.The following article presents the research and innovation in the industrial design and development of a portable bioimpedance monitor system with clinical precision developed by the Biomedical Engineering Group of the University of Seville and with the Costa Rica Institute of Technology regarding the industrial design. Bioimpedance systems possess industrial design challenges for its application in the e-health field, even though, the continuous increase in life expectancy and the need for more precise medical equipment for sport applications have risen the need for portable and precise medical equipment that can be mass scaled commercialized and empower the user ́s healthcare situation. A qualitative approach method was used with a methodology designed by the author (Divergent-Convergent Project (DGC) Method). The most important findings were the industrial design and development of the bioimpedance monitor system and the novel methodology for the development of novel portable medical products

Muscle mass assessment in renal disease: The role of imaging techniques

Muscle wasting is a frequent finding in patients with chronic kidney disease (CKD), especially in those with end-stage kidney disease (ESKD) on chronic dialysis. Muscle wasting in CKD is a main feature of malnutrition, and results principally from a vast array of metabolic derangements typical of the syndrome, that converge in determining reduced protein synthesis and accelerated protein catabolism. In this clinical setting, muscle wasting is also frequently associated with disability, frailty, infections, depression, worsened quality of life and increased mortality. On these grounds, the evaluation of nutritional status is crucial for an adequate management of renal patients, and consists of a comprehensive assessment allowing for the identification of malnourished patients and patients at nutritional risk. It is based essentially on the assessment of the extent and trend of body weight loss, as well as of spontaneous dietary intake. Another key component of this evaluation is the determination of body composition, which, depending on the selected method among several ones available, can identify accurately patients with decreased muscle mass. The choice will depend on the availability and ease of application of a specific technique in clinical practice based on local experience, staff resources and good repeatability over time. Surrogate methods, such as anthropometry and bioimpedance analysis (BIA), represent the most readily available techniques. Other methods based on imaging modalities [dual-energy X-ray absorptiometry (DXA), magnetic resonance imaging (MRI), and whole body computed tomography (CT)] are considered to be the “gold standard” reference methods for muscle mass evaluation, but their use is mainly confined to research purposes. New imaging modalities, such as segmental CT scan and muscle ultrasound have been proposed in recent years. Particularly, ultrasound is a promising technique in this field, as it is commonly available for bedside evaluation of renal patients in nephrology wards. However, more data are needed before a routine use of ultrasound for muscle mass evaluation can be recommended in clinical practice

Diseño de un dispositivo electrónico usando la técnica de bioimpedancia para la medición del nivel de glucosa en pacientes diabéticos

El objetivo general del presente trabajo es diseñar un dispositivo electrónico usando la técnica de bioimpedancia para la medición del nivel de glucosa en pacientes diabéticos con el propósito de realizar mediciones de manera continua. La corriente teórica en el presente trabajo es la bioimpedancia porque es una técnica no invasiva, efectiva y no desarrollada en nuestro país que permite determinar el nivel de glucosa en sangre de forma no invasiva. Asimismo, la metodología empleada consiste en el uso de electrodos de bioimpedancia para la captación de la señal de la impedancia eléctrica, esta señal es adquirida y procesada por un circuito amplificador con tierra flotante, luego pasa por un amplificador de instrumentación que permite la identificación de la frecuencia buscada, seguidamente se realiza la convolución y acondicionamiento de la señal para luego ser enviada al microcontrolador, así también, se requirió de ciertos materiales e instrumentos y equipos especializados como un microcontrolador dsPic, módulo Bluetooth, electrodos de bioimpedancia, espectroscopia de impedancia eléctrica y un generador de ondas arbitrarias. Dentro de los resultados esperados están la obtención de la señal de impedancia eléctrica a partir de la aplicación de corrientes de alta frecuencia, la exhibición de los niveles de glucosa en un dispositivo móvil. De otro lado, una conclusión relevante señala que la adquisición de la señal de bioimpedancia de un paciente diabético se realiza en la sección corporal más larga (brazo a pierna) para la obtención de características dieléctricas, y además, debe asegurarse una correcta postura para obtener una óptima medición

Measurement of Electrical Impedance Myography

Práce se zabývá měřením elektroimpedanční myografie (EIM). Cílem práce bylo zhodnocení, zda se impedance svalů spolu s fázovým úhlem mění při změně úhlu kloubu nebo při kontrakci svalu a porovnání získaných výsledků s publikacemi, jenž se zabývají stejnou problematikou. Na začátku práce je seznámení s elektrickými vlastnostmi tkání, základními principy bioimpedance a EIM. Následně je provedena rešerše, ověření přesnosti přístroje a je navrženo schéma měření pro 11 subjektů, kdy je využíváno tetrapolární zapojení elektrod na bicepsu a potom na bicepsu a předloktí. Zprvu je měřena impedance a fázový úhel nejdříve pro různé úhly loketního kloubu a potom různé intenzity izometrické kontrakce pomocí dodaného přístroje. Výsledky průběhů jsou zprůměrovány dle jednotlivých úseků a vyhodnoceny na základě tabulek a grafů. Z dosažených výstupů lze konstatovat, že se impedance spolu s fázovým úhlem mění spolu se změnou úhlu loketního kloubu a taky spolu s kontrakcí (impedance v řádech Ohmů a fázový úhel v desetinných číslech stupňů).The thesis deals with the measurement of electroimpedance myography (EIM). The aim of the study was to evaluate whether the muscle impedance with the phase angle changes when the joint angle changes or when the muscle contracts, and to compare the obtained results with publications that deal with the same issues. At the beginning of the work is an introduction to the electrical properties of tissues, the basic principles of bioimpedance and EIM. Subsequently, review of literature, verification of the accuracy of the device is performed and a measurement is designed for 11 subjects, which uses a tetrapolar electrode connection on the biceps and then on the biceps and forearms. The impedance and phase angle are measured first for different elbow joint angles and then for different isometric contraction intensities using the supplied instrument. Measurement results are averaged according to individual sections and evaluated on the basis of tables and graphs. From the achieved outputs it can be claimed that the impedance and phase angle change due to changes in joint angle and also during different levels of isometric contraction of the measured muscles (impedance in the order of Ohms and the phase angle in decimal degrees).450 - Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvívelmi dobř

Fundamentals, Recent Advances, and Future Challenges in Bioimpedance Devices for Healthcare Applications

This work develops a thorough review of bioimpedance systems for healthcare applications. The basis and fundamentals of bioimpedance measurements are described covering issues ranging from the hardware diagrams to the configurations and designsof the electrodes and from the mathematical models that describe the frequency behavior of the bioimpedance to the sources of noise and artifacts. Bioimpedance applications such as body composition assessment, impedance cardiography (ICG),transthoracic impedance pneumography, electrical impedance tomography (EIT), and skin conductance are described and analyzed. Abreak down of recent advances and future challenges of bioimpedance is also performed, addressing topics such as transducers for biosensors and Lab-on-Chip technology, measurements in implantable systems, characterization of new parameters and substances, and novel bioimpedance applications.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades PI15/00306Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades DTS15/00195Junta de Andalucía PI-0010-2013Junta de Andalucía PI-0041-2014Junta de Andalucía PIN-0394-2017Unión Europea H2020-2014-2-668995-Cognitive ElectronicsUnión Europea H2020-FLAG-ERA-JTC2016-CONVERGENCE

Firmware design of a portable medical device to measure the quadriceps muscle group after a total knee arthroplasty by EMG, LBIA and clinical score methods

El objetivo de este proyecto es el diseño del firmware de un dispositivo médico portátil para mediciones de EMG y LBIA, que se utilizará para la evaluación de pacientes de artroplastia total de rodilla, para estudiar la progresión de diferentes prótesis de rodilla (Medial-Pivot y Ultra-Congruente). En la tesis, se expone el conocimiento actual de los estudios y aplicaciones de EMG y LBIA, junto con los dispositivos comerciales utilizados actualmente. Además, se han estudiado e implementado las diferentes técnicas de filtrado y procesamiento digital para señales de EMG y LBIAs. Adicionalmente, se ha realizado un estudio estadístico preliminar con datos LBIA de 12 pacientes de artroplastia total de rodilla. El diseño del firmware de esta tesis incluye: los procesos de adquisición de datos con el uso de diferentes ADCs (Conversor Analógico a Digital) (de la propia placa y externos, utilizando la interfaz SPI) y un DAC (Conversor Digital a Analógico), el correspondiente procesamiento de la señal y la extracción de sus características, la comunicación con un dispositivo externo utilizando un módulo BLE externo con interfaz UART, el proceso de encriptación de los datos médicos, la funcionalidad de manejo de errores y la aproximación del nivel de batería. En esta tesis, todos los flujos de trabajo de los procesos se exponen y explican mediante diagramas de flujo, mientras que se justifica cada cálculo y configuración. Además, todo el código correspondiente se ha programado en lenguaje C y se expone en los anexos. También se ha revisado la normativa aplicable y se ha analizado tanto el impacto ambiental como el coste económico del producto. Por último, se proponen mejoras para futuros trabajos.The aim of this project is the firmware design for a portable medical device for EMG and LBIA measurements which will be used for the assessment of total knee arthroplasty patients to study the progression of different knee prostheses (Medial-Pivot and Ultra-Congruent). For its realization, the state of the art of the EMG and LBIA studies and applications are exposed, along with the currently used medical devices. In addition, the different digital filtering and processing techniques for these studies have been studied and implemented. Furthermore, a preliminary statistical study has been performed with LBIA data from 12 patients with total knee arthroplasty. The firmware design of this thesis includes: the acquiring data processes with the use of different ADCs (from the actual board and external, using the SPI interface) and a DAC, the corresponding signal processing and feature abstraction, the communication with an external device using an external BLE module with UART interface, the medical data encrypting process, the error handling functionality, and the battery level approximation. In this work, all the process workflows are exposed and explained using flowcharts, while every calculation and configuration is justified. In addition, all the corresponding code has been programmed using C language and exposed in the Annexes. Moreover, the applicable regulation has been reviewed, and both the environmental impact and economic cost of the product have been analyzed. Finally, improvements are proposed for future work.L'objectiu d'aquest projecte és el disseny del microprogramari d'un dispositiu mèdic portàtil per a mesures d'EMG i LBIA. L’aparell mèdic s'utilitzarà per a l'avaluació de pacients d'artroplàstia total de genoll per estudiar la progressió de dues pròtesis de genoll (Medial-Pivot i Ultra- Congruent). En el treball, s'exposa el coneixement actual dels estudis i aplicacions d'EMG i LBIA, juntament amb els dispositius comercials utilitzats actualment. A més, s'han estudiat i implementat les diferents tècniques de filtrat i processament digital dels senyals de EMG i LBIA. Addicionalment, s'ha fet un estudi estadístic preliminar amb dades de LBIA de 12 pacients amb artroplàstia total de genoll. El disseny del microprogramari d'aquesta tesi inclou: els processos d'adquisició de dades fent ús de diferents ADCs (de la pròpia placa i externs, utilitzant la interfície SPI) i un DAC, el processament dels senyals i l'abstracció de les seves característiques, la comunicació amb un dispositiu extern utilitzant un mòdul BLE extern amb interfície UART, el procés d'encriptació de les dades mèdiques, la funcionalitat de l’avaluació d'errors i l'aproximació del nivell de bateria. En aquest treball, totes les funcionalitats del dispositiu s'exposen i s'expliquen mitjançant diagrames de flux i es justifiquen els càlculs i configuracions corresponents. Tot el codi desenvolupat s'ha programat en llenguatge C i s'exposa als annexos. A més, s'ha revisat la normativa aplicable i s'ha analitzat tant l'impacte ambiental com el cost econòmic de l’aparell. Finalment, es proposen millores per a futurs desenvolupaments