Contributions to the measurement of electrical impedance for living tissue ischemia injury monitoring

Abstract

Aquesta tesi es centra en el desenvolupament i l'ús d'una sonda miniaturitzada de silici per a la mesura de la impedància elèctrica de teixits vius tous. El propòsit d'aquestes mesures d'impedància és la monitorització en temps real del dany isquèmic per a aplicacions com la cirurgia cardíaca o el trasplantament d'òrgans. <br/><br/>Actualment, el rang de mètodes aplicables a nivell clínic per tal de detectar l'isquèmia tissular és limitat i no existeix cap mètode pràctic que permeti la quantificació en temps real de l'efecte d'aquesta isquèmia, això és, el dany isquèmic. En aquest sentit, la monitorització de la impedància elèctrica sembla esperançadora i el treball d'aquesta tesi contribueix al camp mitjançant el desenvolupament de nous instruments i mètodes i mitjançant l'aportació de noves dades experimentals i eines per a la comprensió de la relació entre la patofisiologia i la impedància elèctrica. Les principals contribucions d'aquesta tesi es resumeixen a continuació.<br/><br/>En aquesta tesi, es descriu el desenvolupament d'una sonda que formada per quatre elèctrodes de platí (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) a sobre d'un substrat de silici en forma d'agulla ( longitud d'inserció = 9 mm i secció de 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m). Els elèctrodes estan situats a una distància de separació no constant per tal de millorar la relació senyal-soroll i la resolució espacial. Es realitza una deposició electroquímica de platí negre sobre els elèctrodes per tal de reduir la impedància de la interfície i millorar la qualitat de les mesures. En el cas dels teixits vius, la banda freqüencial de mesura va dels 100 Hz fins als 100 kHz. <br/><br/>Un mètode nou per a la mesura d'impedància a cinc elèctrodes es presenta i s'analitza. Amb aquest mètode, es pretén minimitzar l'error a baixes freqüències degut a l'elevada impedància de la interfície elèctrode-electròlit. Malauradament, encara que aquest mètode a cinc elèctrodes funciona, s'han trobat algunes limitacions que el fan quasi impracticable en el cas dels teixits vius.<br/><br/>També es presenta el desenvolupament i l'ús d'un paquet de programari per a simular la impedància elèctrica dels teixits vius en les regions de dispersió &#61537; i &#61538;. Aquest programari es basa en la generació d'arxius SPICE a partir de l'especificació d'alguns paràmetres numèrics relacionats amb el teixit i el dibuix d'un mapa bi-dimensional que representa un tall de teixit. El resultat més significatiu d'aquest simulador és que és capaç d'obtenir respostes compatibles amb l'equació de Cole a partir d'un model basat únicament en resistències i capacitats.<br/><br/>S'han realitzat diversos estudis experimental fent servir la sonda de silici. En aquesta tesi únicament es presenten els estudis amb ronyons de rata. Els resultats confirmen les principals observacions fetes anteriorment per altres investigadors que han treballat amb diferents animals, òrgans i protocols. Això vol dir, en termes generals, un increment significatiu de la magnitud de la impedància elèctrica a baixes freqüències (< 10 kHz) durant el desenvolupament del procés isquèmic que s'associa a l'inflament cel·lular o al tancament de les unions inter-cel·lulars (gap junctions). Malgrat això, aquí també s'observa que un paràmetre derivat de la caracterització espectroscòpica de la impedància segons el model Cole, el paràmetre &#61537;, normalment ignorat per molts autors, és capaç de detectar alguns fets que no són detectats per la resta de paràmetres derivats de l'estudi de la impedància. Concretament es mostra que el valor de &#61537; podria estar relacionat amb la morfologia de l'espai extracel·lular i es demostra experimentalment que &#61537; pot ser modificat per una alteració induïda del citosquelet cel·lular.<br/><br/>Addicionalment, aquesta tesi inclou un annex que tracta de facilitar la comprensió de la monitorització de la bioimpedància elèctrica a aquells amb formació en ciències de la vida.

This thesis is focused on the development and use of a miniaturized silicon probe for electrical impedance measurements of soft living tissues. The purpose of those impedance measurements is to monitor the ischemia injury for applications such as cardiac surgery or organ transplantation.<br/><br/>Currently, the range of clinically available methods to detect tissue ischemia is limited and there is not any practical method to quantify in an on-line manner the effect of such ischemia, that is, the ischemia injury. In this sense, electrical impedance monitoring seems very promising and this thesis contributes to the field by developing new instruments and methods and by providing novel experimental results and tools to understand the relation between pathophysiology and electrical impedance. The main contributions of this thesis are summarized below.<br/><br/>In this thesis, it is presented the development of a silicon probe that consists of four platinum electrodes (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) on a needle shaped silicon substrate (9 mm insertion length, 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m cross section). The electrodes are placed at non-constant separation distance in order to enhance signal-to-noise ratio and spatial resolution. An electrochemical deposition of platinum black on the electrodes is performed in order to reduce the interface impedance and improve the quality of the measurements. For living tissue measurements, the useful measurement band goes from 100 Hz to 100 kHz.<br/><br/>A novel measurement method based on five electrodes is described and analyzed. It is intended to minimize errors at low frequencies caused by the high electrode-electrolyte interface impedances. Unfortunately, although this five-electrode method works, some limitations have been found that made almost impossible its implementation for living tissue measurements.<br/><br/>It is also presented a custom developed software package to simulate the electrical impedance of living tissues at the &#61537; and &#61538; dispersion regions. It is based on the generation of a SPICE netlist from the specification of some numerical parameters concerning the tissue and a bi-dimensional map representing a slice of tissue. Some examples are provided to demonstrate its feasibility. The most significant result is that the simulator is able to obtain Cole compatible behaviours from models based on simple resistances and capacitances. <br/><br/>Several experimental studies have been performed by using the silicon probe. In this thesis only the experiments carried out on rat kidneys are presented. The results confirm the main observations made by previous researchers working with other animals, organs and protocols. That is, in general terms, a significant increase of impedance magnitude at low frequencies (<10 kHz) during the course of ischemia that is related to cell swelling or gap junctions closure. However, here it is also observed that a parameter from impedance spectroscopy characterization according to the Cole model, the &#61537; parameter, which is often ignored, is able to detect some events that are not revealed by other impedance parameters. It is shown that the &#61537; value could depend on the extracellular space morphology and it is experimentally demonstrated that &#61537; is modified by an induced alteration of cells cytoskeleton.<br/><br/>This thesis includes an annex that tries to facilitate the understanding of electrical bioimpedance monitoring for life-sciences practitioners.<br/><br/>Another annex describes the instrumentation systems that were developed for electrical impedance measurements based on the four-electrode method.