Diseño e implementación de un sensor Laplaciano activo flexible. Aplicación al estudio del EENG humano en superficie

Gastrointestinal diseases have a complicated diagnosis and a delay in treatment can lead to an aggravation of the disease, as is the case of intestinal ischemia, intestinal obstruction or paralytic ileus. These pathologies are revealed in intestinal motility which is determined by the myoelectric activity of the small intestine. EEnG is the signal associated to the recording of myoelectrical activity generated in the muscular layers of the small bowel, and electroenterography is a technique for the study of intestinal motility. At present, there is no non-invasive system for use in clinical settings that allow the recording of myoelectric intestinal activity. In the first part of this doctoral thesis, it has been tested an array of 3 active flexible concentric electrodes, which preamplifies and conditions the intestinal myoelectric signal captured on the surface as close as possible to the recording area. The results show that in the Laplacian recordings there was a better behavior against the influence of cardiac and respiratory interference with respect to bipolar with disc electrodes. However, in respect to low frequency interferences, concentric dry recording electrodes presented poorer performance than the gel recording disc electrodes. On the other hand, it was possible to identify the slow intestinal wave in about 93% of the analysis windows of the records with the matrix of concentric electrodes, compared to 88% of the bipolar records with disc electrodes. In the second part of the thesis, it has been attempted to improve the quality of the EEnG signals already achieved with the flexible concentric electrodes presented before with the design and implementation of flexible, self-adhesive flexible multi-ring concentric electrodes that can work in wet conditions (impregnation with electrolytic gel) and using two different substrates for the adhesive (adhesive-only and foam). Also it is aimed to determine the optimal configuration (monopolar vs bipolar concentric, MC vs BC) and dimension of ring, the appropriate material and the ideal position for picking up the slow intestinal wave. The adhesive material in concentric bipolar configuration and 30 mm ring diameter was most suitable to capture the slow intestinal wave; with an ability to detect the frequency of slow intestinal wave in a 95% of the cases. Improving 90% of the bipolar registers with conventional disc electrodes in the same position, and the results of the electrode matrix of the first part of the thesis. This work demonstrates the feasibility of recording the abdominal surface EEnG for the noninvasive monitoring of the slow intestinal wave and the better performance of the flexible substrate concentric electrodes compared to that of conventional disc electrodes. This is a further step to bring EEnG closer to clinical use and to the future development of diagnostic applications. In addition, the developed electrode can be used in other applications associated with the recording, monitoring and analysis of bioelectrical signals such as the fields of electrocardiography, uterine electromyography, respiratory muscle, etc.Las patologías gastrointestinales son complicadas en su diagnóstico, y un retraso en el tratamiento puede llevar a un agravamiento de la enfermedad, como ocurre con la isquemia intestinal, la obstrucción intestinal o el íleo paralítico. Estas patologías se ven reflejadas en la motilidad intestinal y ésta está determinada por la actividad mioeléctrica del intestino delgado. El electroenterograma (EEnG) es la señal bioeléctrica asociada al registro de la actividad mioeléctrica intestinal generada en las capas del músculo liso; siendo la electroenterografía una técnica para el estudio de la motilidad intestinal. En la actualidad, no existe un sistema no invasivo de uso en entornos clínicos que permita registrar la actividad mioeléctrica intestinal. En la primera parte de la presente tesis doctoral, se ha ensayado una matriz de 3 electrodos anulares concéntricos, flexibles y activos, que preamplifica y acondiciona la señal mioeléctrica intestinal captada en superficie lo más cerca posible de la zona de captación. Los resultados muestran que en los registros laplacianos se tiene un mejor comportamiento frente a influencia de la interferencia cardiaca y respiratoria con respecto a los bipolares con electrodos de disco. Sin embargo, respecto a las interferencias de baja frecuencia los electrodos concéntricos de registro en seco presentaron peor comportamiento que los electrodos de disco de registro con gel. Por otro lado, fue posible identificar la onda lenta intestinal en alrededor del 93% de las ventanas de análisis de los registros con la matriz de electrodos concéntricos, frente al 88% de los registros bipolares con electrodos de disco. En la segunda parte de la tesis se ha pretendido mejorar la calidad en la captación de las señales EEnG captada con los electrodos concéntricos flexibles presentados anteriormente, con el diseño e implementación de electrodos concéntricos multianulares flexibles, autoadhesivos, que puedan trabajar en húmedo (impregnación con gel electrolítico) y empleando dos sustratos diferentes para el adhesivo (solo-adhesivo vs foam). Asimismo, se pretende determinar la dimensión y configuración (monopolar vs bipolar concéntrico, MC vs BC) óptima, el material adecuado y la posición idónea para la captación de la onda lenta intestinal con electrodos anulares. El material adhesivo en configuración bipolar concéntrica y de diámetro de 30 mm fue el más idóneo para captar la onda lenta intestinal, con una capacidad de detectar la frecuencia asociada a la onda lenta intestinal en un 95% de los casos; mejorando el 90% de los registros bipolares con electrodos convencionales de disco en la misma posición, y los resultados de la matriz de electrodos de la primera parte de la tesis. Con este trabajo se pone de manifiesto la viabilidad del registro del EEnG en superficie abdominal para la monitorización no invasiva de la onda lenta intestinal y las mejores prestaciones de los electrodos concéntricos de sustrato flexible frente a los convencionales electrodos de disco. Esto supone un paso más para acercar el EEnG al uso clínico y al desarrollo de futuras aplicaciones diagnósticas. Además, el electrodo desarrollado es susceptible de ser empleado en otras aplicaciones asociadas al registro, monitorización y análisis de señales bioeléctricas como la electrocardiografía, electromiografía uterina, de músculo respiratorio, etcLes patologies gastrointestinals són complicades en el seu diagnòstic, i un retard en el tractament pot portar a un agreujament de la malaltia, com passa amb la isquèmia intestinal, l'obstrucció intestinal o l'ili paralític. Aquestes patologies es veuen reflectides en la motilitat intestinal i aquesta està determinada per l'activitat mioelèctrica de l'intestí prim. L'electroenterograma (EEnG) és el senyal bioelèctric associat al registre de l'activitat mioelèctrica intestinal generada a les capes del múscul llis; sent la electroenterografia una tècnica per a l'estudi de la motilitat intestinal. A la primera part de la present tesi doctoral, s'ha assajat una matriu de 3 elèctrodes anulars concèntrics, flexibles i actius, que preamplifica i condiciona els senyals mioelèctrics intestinals captats en superfície el més a prop possible de la zona de captació. Els resultats mostren que als registres laplacians es té un millor comportament enfront de influència de la interferència cardíaca i respiratòria respecte dels senyals bipolars captats amb elèctrodes de disc. No obstant això, respecte a les interferències de baixa freqüència, els elèctrodes concèntrics de registre en sec van presentar pitjor comportament que els elèctrodes de disc de registre amb gel. D'altra banda, va ser possible identificar l'ona lenta intestinal en al voltant del 93% de les finestres d'anàlisi dels registres realitzats amb la matriu d'elèctrodes concèntrics, enfront del 88% dels registres bipolars amb elèctrodes de disc. A la segona part de la tesi s'ha pretès millorar la qualitat en la captació dels senyals EEnG captada amb els elèctrodes concèntrics flexibles presentats anteriorment, amb el disseny i la implementació d'elèctrodes concèntrics multianulars flexibles, autoadhesius, que puguin treballar en humit (impregnació amb gel electrolític) i emprant dos substrats diferents per l'adhesiu (només-adhesiu vs foam). Així mateix, es pretén determinar la dimensió i configuració (monopolar vs bipolar concèntric, MC vs BC) òptima, el material adequat i la posició idònia per a la captació de l'ona lenta intestinal amb elèctrodes anulars. El material adhesiu en configuració bipolar concèntrica i de diàmetre de 30 mm era el més idoni per captar l'ona lenta intestinal, amb una capacitat de detectar la freqüència associada a l'ona lenta intestinal en un 95% dels casos; millorant el 90% dels registres bipolars amb elèctrodes convencionals de disc en la mateixa posició, i els resultats de la matriu d'elèctrodes de la primera part de la tesi. Amb aquest treball es posa de manifest la viabilitat del registre de l'EEnG en superfície abdominal per a la monitorització no invasiva de l'ona lenta intestinal i les millors prestacions dels elèctrodes concèntrics de substrat flexible enfront dels convencionals elèctrodes de disc. Això suposa un pas més per apropar el EEnG a l'ús clínic i al desenvolupament de futures aplicacions diagnòstiques. A més, l'elèctrode desenvolupat és susceptible de ser emprat en altres aplicacions associades al registre, monitorització i anàlisi de senyals bioelèctrics com a l'electrocardiografia, electromiografia uterina, de múscul respiratori, etc.Zena Giménez, VF. (2017). Diseño e implementación de un sensor Laplaciano activo flexible. Aplicación al estudio del EENG humano en superficie [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86171TESI

Enhancement of Non-Invasive Recording of Electroenterogram by Means of a Flexible Array of Concentric Ring Electrodes

Monitoring intestinal myoelectrical activity by electroenterogram (EEnG) would be of great clinical interest for diagnosing gastrointestinal pathologies and disorders. However, surface EEnG recordings are of very low amplitude and can be severely affected by baseline drifts and respiratory and electrocardiographic (ECG) interference. In this work, a flexible array of concentric ring electrodes was developed and tested to determine whether it can provide surface EEnG signals of better quality than bipolar recordings from conventional disc electrodes. With this aime, sixteen healthy subjects in a fasting state (>8h) underwent recording. The capabiltiy of detecting intestinal pacemaker activity (slow wave) and the influence of physiological interferences were studied. The signals obtained from the concentric ring electrodes proved to be more robust to ECG and respiratory interference than those from conventional disc electrodes. The results also show that intestinal EEnG components such as the slow wave can be more easily identified by the proposed system based on a flexible array of concentric ring electrodes. The developed active electrode array could be a very valuable tool for non-invasive diagnosis of disease states such as ischemia and motility disorders of the small bowel which are known to alter the normal enteric slow wave activity.Research supported in part by the Ministerio de Ciencia y Tecnologia de Espana (TEC 2010-16945). The proof-reading of this paper was funded by the Universitat Politecnica de Valencia, Spain.Garcia Casado, FJ.; Zena Giménez, VF.; Prats Boluda, G.; Ye Lin, Y. (2014). Enhancement of Non-Invasive Recording of Electroenterogram by Means of a Flexible Array of Concentric Ring Electrodes. Annals of Biomedical Engineering. 42(3):651-660. https://doi.org/10.1007/s10439-013-0935-yS651660423Abo, M., J. Liang, L. Qian, and J. D. Chen. Distension-induced myoelectrical dysrhythmia and effect of intestinal pacing in dogs. Dig. Dis. Sci. 45(1):129–135, 2000.Besio, W., R. Aakula, K. Koka, and W. Dai. Development of a tri-polar concentric ring electrode for acquiring accurate Laplacian body surface potentials. Ann. Biomed. Eng. 34(3):426–435, 2006.Besio, W., and T. Chen. Tripolar Laplacian electrocardiogram and moment of activation isochronal mapping. Physiol. Meas. 28(5):515–529, 2007.Bradshaw, L. A., S. H. Allos, J. P. Wikswo, Jr, and W. O. Richards. Correlation and comparison of magnetic and electric detection of small intestinal electrical activity. Am. J. Physiol. 272(5 Pt 1):G1159–G1167, 1997.Bradshaw, L. A., J. K. Ladipo, D. J. Staton, J. P. Wikswo, Jr, and W. O. Richards. The human vector magnetogastrogram and magnetoenterogram. IEEE Trans. Biomed. Eng. 46(8):959–970, 1999.Bradshaw, L. A., W. O. Richards, and J. P. 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Registro y análisis de la señal mioeléctrica intestinal captada en superficie abdominal mediante electrodos anulares flexibles

[ES] Las patologías gastrointestinales constituyen alrededor del 10% de las consultas hospitalarias en Europa, siendo habitualmente muy complicado su diagnóstico. Patologías como la isquemia intestinal, el íleo paralítico o la obstrucción intestinal suelen presentar ese tipo de inconvenientes para su diagnóstico clínico, lo que frecuentemente deriva en un retraso en el tratamiento quirúrgico de las mismas y su posible agravamiento. Actualmente no existen sistemas no-invasivos empleados en entornos clínicos que permitan monitorizar dicha actividad gastrointestinal. En este trabajo se presenta una técnica no invasiva para la registro de la actividad mioeléctrica intestinal. Hasta la fecha, los registros mioeléctricos en superficie abdominal se han realizado fundamentalmente con electrodos convencionales en configuración monopolar y/o bipolar que proporcionan señales de baja calidad, así que lo que se pretende con este trabajo es mejorar la calidad de los registros empleando electrodos anulares concéntricos que permiten estimar el laplaciano del potencial en superficie. Dichos electrodos serán activos y estarán implementados sobre un sustrato flexible con objeto de mejorar el contacto electrodo-piel, preamplificar y acondicionar la señal mioeléctrica intestinal captada en superficie lo más cerca posible de la zona de captación, haciéndola más robusta frente a la presencia de ruidos e interferencias, Se ha generado una base de datos con registros de la actividad eléctrica de superficie abdominal obtenida en 16 voluntarios, en condiciones de ayuno. Cada sesión de registro tuvo una duración de 180 minutos adquiriéndose simultáneamente las señales captadas en el abdomen correspondientes a los tres electrodos laplacianos y a dos registros bipolares, así como las principales interferencias fisiológicas presentes en los este tipo de registros, la respiración, el ECG en derivación I, además las señales procedentes de un acelerómetro triaxial. Se han definido y calculado parámetros para valorar la presencia de las interferencias cardiaca, respiratoria y de baja frecuencia sobre los distintos registros de EEnG, así como su capacidad para captar la actividad de la onda lenta intestinal. Los resultados obtenidos demuestran que los registros de EEnG mediante los electrodos anulares concéntricos presentan una mayor inmunidad a las interferencias de origen cardiaco y respiratorio que los registros bipolares, probablemente debido a sus características laplacianas. Pese a ello, presentan un mayor contenido de interferencias de baja frecuencia presumiblemente originado por tratarse de un registro en seco. Finalmente, destacar que en los registros de EEnG en superficie realizados con los electrodos laplacianos ha sido posible identificar la OL intestinal en alrededor del 93% de los casos, frente a en torno al 88% de los registros bipolares. Estos resultados ponen de manifiesto la viabilidad del EEnG abdominal para la monitorización no invasiva de la actividad maracapasos[EN] Gastrointestinal diseases constitute about 10% of hospital visits in Europe, and is usually very complicated diagnosis. Diseases such as intestinal ischemia, paralytic ileus or intestinal obstruction usually have such disadvantages for clinical diagnosis, which often leads to a delay in surgical treatment of them and their possible aggravation. There are currently no non-invasive systems used in clinical settings that allow such activity monitor gastrointestinal. This paper presents a noninvasive technique for recording intestinal myoelectric activity. To date, the abdominal surface myoelectric records were made primarily with conventional electrodes in monopolar configuration or bipolar signals that provide low quality, so the aim of this paper is to improve the quality of records using ring electrodes concentric to estimate the surface Laplacian potential. These electrodes will be active and will be implemented on a flexible substrate to improve the skin-electrode contact, and condition preamplify intestinal myoelectric signal captured in closest surface of the catchment area, making it more robust to the presence of noise and interference, It has generated a database with records the electrical activity of abdominal surface obtained in 16 volunteers under fasting conditions. Each recording session lasted 180 minutes being acquired signals simultaneously captured in the abdomen for the three electrodes and two records Laplacian bipolar and major physiological interference present in such records, respiration, ECG derivation I, besides the signals from the triaxial accelerometer. Defined and calculated parameters to assess the presence of interference cardiac, respiratory and low frequency on different EEnG records and their ability to capture the slow wave activity intestinal. The results demonstrate that records EEnG through concentric ring electrodes have greater immunity to interference from cardiac and respiratory bipolar recordings, probably due to its characteristics Laplacian. Nevertheless, have a higher content of low-frequency interference caused presumably because it is a dry record. Finally, note that in EEnG records made with the electrode surface Laplacian has been possible to identify the intestinal OL in about 93% of cases, compared with around 88% of the bipolar recordings. These results demonstrate the feasibility of abdominal EEnG for noninvasive monitoring of pacemakers intestinal activity, and the best performance of the electrodes assets Laplacian flexible substrate for these records.Zena Giménez, VF. (2012). Registro y análisis de la señal mioeléctrica intestinal captada en superficie abdominal mediante electrodos anulares flexibles. http://hdl.handle.net/10251/27694Archivo delegad

Monitor electrocardiográfico con tecnología inalámbrica ZigBee

El presente trabajo describe el diseño e implementación de un monitor electrocardiográfico inalámbrico cuyo propósito es facilitar los procedimientos médicos y la movilidad de pacientes internados. El sistema está constituido por un módulo transmisor, que se conecta al paciente a través de tres electrodos superficiales, y un módulo receptor conectado a una computadora para visualización del electrocardiograma (ECG). El módulo transmisor se compone de una etapa de amplificación y filtrado de la señal de ECG, y una etapa que utiliza el protocolo ZigBee para digitalizar y transmitir dicha señal. Para que el módulo transmisor sea de pequeñas dimensiones, se utilizaron componentes de montaje superficial (SMD) y una batería de celular para su implementación. Se escogió el protocolo ZigBee porque consume menor energía que otros protocolos y tiene un alcance de hasta 100 metros; además permitirá la expansión delproyecto para formar una central de monitorización inalámbrica.The present work describes the design and implementation of a wireless electrocardiogram monitor whose purpose is to facilitate medical procedures and mobility of patients in an intensive care unit. The system is constituted by a transmitter module that is connected to the patient through three superficial electrodes, and a receiver module connected to a computer for visualization of the electrocardiogram (ECG). The transmitter module is composed of an amplification stage and filtrate of the ECG signal, and a stage that uses the ZigBee protocol to digitize and transmit this signal. To obtain a transmitter module of small dimensions, Superficial Mounted Devices (SMD) and a celular battery were used for its implementation. The ZigBee protocol was chosen because it consumes smaller energy than other protocols and it has a reach of up to 100 meters; it will also allow the expansion of the project to implement a wireless monitoring