ES2289948B1 - Sensor electrofisiologico. - Google Patents
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Abstract
Sensor electrofisiológico. Comprende una pluralidad de nanoestructuras (2) conductoras susceptibles de transmitir una señal eléctrica captada de la superficie de la piel o de otra parte de un tejido orgánico a un medio transmisor (4, 7) en donde dichas nanoestructuras (2) adoptan una configuración filiforme, rígida y están conectadas por un extremo a un sustrato conductor (4) acoplado a dicho medio transmisor (4, 7) y son operables para penetrar por su extremo libre, a modo de agujas, en dicho tejido orgánico (6).
Description
Sensor electrofisiológico.
La presente invención se refiere en general a un
sensor electrofisiológico, - es decir, un conjunto de electrodo
para aplicaciones electrofisiológicas - y, en particular, a un
sensor adaptado para aplicaciones electrofisiológicas que no
requieran sustancias conductoras que actúen como interfaz entre el
sensor y la zona de toma de señal.
La invención concierne asimismo a un sensor
electrofisiológico que opera en seco susceptible de ser aplicado a
la transmisión de señales eléctricas débiles (tales como señales de
potencial biológico) con bajo ruido, a través de la piel, basado en
nanotecnología.
Actualmente, los sensores electrofisiológicos
aplicados sobre la piel están viendo incrementada su demanda en
clínicas modernas y en aplicaciones biomédicas.
La solicitud de patente
EP-A-1596929 describe un dispositivo
médico que comprende un electrodo que incorpora un material basado
en nanotubos de carbono y un método para fabricar el
dispositivo.
Los nanotubos de carbono fueron descubiertos
aproximadamente hacia el año 1991 y desde entonces se les ha
encontrado numerosas e interesantísimas aplicaciones tales como
almacenamiento de energía para baterías, condensadores, etc. En la
solicitud de patente anteriormente mencionada se parte del
conocimiento de estos nanotubos para la construcción de un
dispositivo médico. Dicho dispositivo médico es utilizado para
percibir y comunicar estímulos eléctricos de un modo similar al que
se plantea en la presente invención, pero en aquella solicitud de
patente es necesaria la aplicación, en al menos una porción de la
superficie del dispositivo médico, de una capa adhesiva formada por
un polímero conductivo para adherir los nanotubos a al menos una
porción del electrodo. En el sensor de la presente invención no es
necesaria esta capa, pudiéndose utilizar técnicas como CVD
(Chemical Vapor Deposition) para el crecimiento directo de los
nanotubos sobre un sustrato conductor en el dispositivo.
El dispositivo médico descrito en la solicitud
de patente EP-A-1596929, no
describe ni sugiere tampoco que los nanotubos dispuestos sobre una
porción del electrodo estén configurados y/o adaptados para
penetrar directamente en la piel, debiendo deducir de ello que su
aplicación será la convencional mediante interposición de una capa
de interfaz entre electrodo y piel, en general de tipo gel.
La necesidad de aplicar una capa interfaz entre
el electrodo o sensor y la piel u otro tejido orgánico supone
algunos inconvenientes: es necesario invertir un tiempo largo
preparando la piel y el dispositivo (del orden de algunos minutos)
para cada intervención. La interfaz gel-piel no es
una interfaz estable, lo cual añade ruido
(electrodo-piel, electrodo-polímero
o gel, gel-piel) a las medidas tomadas perturbando
su fiabilidad. Además el gel conductivo puede sufrir modificaciones
tales como secarse (al menos en un cierto grado) durante el proceso
y añadir con ello aún más ruido a la información involucrada. Es
asimismo necesario actuar sobre la piel en la que se va a proceder a
la colocación del dispositivo rascando o raspando ligeramente la
superficie epidérmica para unificarla y garantizar la conductividad
con las consecuentes molestias por parte del paciente y tiempo
operativo.
De lo anteriormente expuesto, aparece necesario
ofrecer una alternativa al estado de la técnica que palie las
molestias generadas en el paciente, ahorre tiempo al operario, y
reduzca las perturbaciones y errores derivados del ruido añadido a
las medidas. Interesa por ello aportar un sensor que mejore las
deficiencias actuales señaladas anteriormente.
El sensor electrofisiológico de la presente
invención aporta una particular solución a esta necesidad y a
diferencia del dispositivo descrito en la citada solicitud de
patente EP-A-1596929 en dicho sensor
alternativo será posible prescindir de la citada capa adhesiva
sustrato-nanotubo, añadiendo además una operativa
diferente basada en la penetración de la piel por parte de los
nanotubos, según se describe a continuación.
La presente invención concierne a un sensor o
conjunto de electrodo electrofisiológico que está integrado
básicamente por un electrodo para la piel utilizable en múltiples
aplicaciones tales como: electroencefalogramas (EEG),
electrocardiogramas (ECG), electro-oculografía
(EOG), o electromiografía (EMG) entre otras. El sensor se basa en
tecnología con nanoestructuras y se aplica en la transmisión de
señales eléctricas débiles, con bajo ruido, a través de la piel.
Consta de un conjunto formado por una estructura de nanotubos de
carbono (CNT) con una disposición y configuración particular
especialmente favorable para aplicaciones
electro-fisiológicas.
Más en concreto, el sensor electrofisiológico
que se propone es del tipo que comprende una pluralidad de
nanoestructuras conductoras susceptibles de transmitir una señal
eléctrica débil captada desde la piel o desde otra parte de un
tejido orgánico a un medio transmisor formado por ejemplo por un
conector eléctrico que se continúa en un conductor o cableado y se
caracteriza por integrar una estructura de múltiples nanotubos de
carbono fijados a un sustrato conductivo apropiado, de soporte,
emergiendo de dicho sustrato dichos nanotubos en forma de elementos
filiformes y sustancialmente rígidos, a modo de agujas. La fijación
no requiere una capa de polímero para la adhesión de los nanotubos.
De este modo, estas nanoestructuras filiformes y rígidas están
conectadas químicamente por un extremo a dicho sustrato conductor
vinculado a un conector eléctrico y son operables para penetrar, al
menos parcialmente, por su extremo libre a modo de agujas en dicho
tejido orgánico o piel, sin necesidad de ninguna interfaz o gel
intermedio, es decir el sensor electrofisiológico opera en seco
sobre la piel que no ha debido someterse a un tratamiento de
preparación previo. El contacto y penetración parcial de los
nanotubos en el Stratum Corneum (capa exterior de la epidermis con
un espesor de 10 a 20 \mum y que constituye un medio resistivo)
permiten un contacto eléctrico estable, de baja impedancia y
ruido.
En un primer ejemplo de realización el sensor
electrofisiológico de la invención comprende una carcasa envolvente
que alberga dicho conector y que tiene asociado a una pared externa
el citado sustrato conductor soporte de las nanoestructuras.
Conforme a una segunda realización preferida se
ha previsto que el sensor incluya en asociación con dicho conector
un amplificador local.
En una tercera versión aún más mejorada el
sensor incluye adicionalmente un circuito para un tratamiento
(pre-procesado o procesado) o adecuación, al menos
parcial, de las señales eléctricas débiles capturadas desde la
piel.
En una cuarta versión aun más mejorada, se ha
previsto incorporar un circuito electrónico para la transmisión de
los datos capturados por el sensor, por radiofrecuencia, a un punto
remoto de gestión.
La transmisión y control del circuito
electrónico asociado al sensor se realiza de forma inalámbrica
pudiéndose acoplar, en caso necesario, otros dispositivos de
comunicación digital, como puede ser el caso de un puerto de
comunicaciones USB.
En general el sensor incorporará un circuito
electrónico digital que realiza unas funciones de acondicionamiento
de la señal, control automático de ganancia, compensación
automática de la deriva, digitalización y filtrado digital.
Estas funciones permiten reducir de forma
importante las interferencias de la señal y constituyen una mejora
sustancial respecto al estado de la técnica.
Otra función del citado circuito electrónico es
la posibilidad de compresión de las señales digitalizadas,
previamente a la transmisión de dichas señales a los dispositivos
de presentación y almacenaje de las señales permitiendo ello
reducir la tasa de información a transmitir y el consumo del
dispositivo.
Para la compresión de la señal digitalizada se
utilizan técnicas de modulación diferencial como por ejemplo la
Continuously Variable Slope Delta-modulation
(CVSD) ampliamente utilizada para la transmisión de voz en los
dispositivos Bluetooth.
La medida y disposición de los citados nanotubos
incorporados en el cuerpo del sensor, sobresaliendo del mismo
agrupados a modo de cepillo, es tal que pueden penetrar el
stratum comeum la última capa de la piel ofreciendo así una
mejor recepción de la señal eléctrica.
Esta nueva disposición de los medios captadores
del sensor permite:
- 1.
- Evitar la necesidad de rascar la piel de la zona elegida para la captación de datos reduciendo, de ese modo, el tiempo empleado en la medida y la incomodidad ocasionada al paciente.
- 2.
- Prescindir de un gel o sustancia de interfaz, eliminando así el ruido introducido en la medida ocasionado por dicho gel o sustancia interfaz y disminuyendo igualmente el tiempo empleado en la medida.
Dicho de otro modo, utilizando el sensor
electrofisiológico propuesto por la presente invención, no se
requerirá de una preparación de la piel previa ni posterior a la
transmisión de señales eléctricas a través de la piel.
Asimismo, dichos nanotubos pueden ser
incorporados en una matriz colocada o fijada en distintos soportes
tales como una prenda de ropa, una almohada o un colchón,
consiguiendo pasar desapercibidos por el paciente y no
interfiriendo en las medidas tomadas. Aún más, los propios tejidos
podrán tener infraestructuras de comunicación integradas.
Un sensor electrofisiológico, tal y como el aquí
descrito puede ser utilizado en la comunicación en el área corporal
usando señales eléctricas débiles y por ello seguras Es decir,
usando el interior del cuerpo como un conductor para transferir
información para la llamada Área de red Corporal, incluyendo
comunicaciones con implantes.
De acuerdo con la presente invención, la
utilización de una tecnología de nanotubos de carbono resulta
altamente interesante debido a que dichos nanotubos son
extremadamente pequeños, incrementando así la seguridad sanitaria
disminuyéndose el riesgo de infección. Los nanotubos utilizados son
buenos conductores, inertes y extremadamente duros y
consistentes.
Según un ejemplo de realización, un valor
razonable para la resistencia del conjunto de nanotubos de carbono
ha de ser menor a 100 k\Omega; dado que la impedancia de un
nanotubo de carbono de múltiples paredes (Multiple Wall Carbon
Nanotubo) que son los aquí empleados, es de 1000 k\Omega, basta
que unos pocos penetren la piel o establezcan un contacto eléctrico
de baja impedancia mediante otro mecanismo (capacitancia). A partir
de estos datos y haciendo los cálculos pertinentes se llega a la
conclusión de que la presente invención constará de un mínimo de 20
nanotubos considerando que todos ellos tengan plenamente contacto
con la piel.
Las anteriores y otras ventajas y
características del sensor electrofisiológico de la invención se
comprenderán mejor a partir de la siguiente descripción de los
dibujos adjuntos, en. los que:
la Fig. 1 muestra un conjunto de nanotubos de
carbono (CNT) según la invención aplicado directamente a la piel,
observándose que dicha nanoestructura penetra en el stratum
comeum, la última capa de la piel y viendo igualmente la
cubierta del sensor y esquemáticamente la instalación de
transmisión de la señal;
la Fig. 2 muestra un segundo ejemplo de
realización similar al primero en el que al sensor se le ha añadido
un amplificador instalado dentro de la cubierta del conjunto; y
la Fig. 3 muestra un diagrama eléctrico o
circuito equivalente representativo del funcionamiento del sensor
descrito por la presente invención, indicándose en esta
representación la resistencia del sensor, las propiedades de la
interfaz y otras variables.
El sensor electrofisiológico 1 según la
invención está integrado por una carcasa 8 que alberga un conjunto
de nanotubos de carbono (CNT) 2 soportados directamente en un
sustrato conductivo 3 del que emergen a modo de finísimas agujas
rígidas, aptas para poder contactar directamente, sin la aplicación
de un gel electrolítico, con la piel 6 y penetrar, al menos en
parte, en el stratum corneum, la capa más externa de la
piel, tal y como se observa en la Fig. 1. En esta Fig. 1 también se
ha detallado un conector eléctrico 4 que sirve de puente entre el
sustrato conductivo 3 y una instalación o al menos un cableado 7
para transportar la señal a un punto remoto.
Con el sensor electrofisiológico 1 presentado
por la presente invención dotado de una estructura de nanotubos de
carbono 2, inertes (es decir no polarizables), en forma de unos
elementos filiformes rígidos, agrupados a modo de un cepillo que son
capaces de penetrar dicha capa externa de la piel se consigue una
transmisión de señales eléctricas portadoras de información, desde
un tejido orgánico, con menor ruido respecto a los sensores del
estado de la técnica y sin necesidad de una capa intermedia de
interfaz. Además, dicha estructura de nanotubos de carbono 2 o
(CNT) está diseñada para que penetre de forma escasa, sin llegar a
entrar en contacto con las células nerviosas, evitando de ese modo
cualquier sensación de dolor en el paciente o posible transmisión
de una infección.
Ventajosamente los nanotubos de carbono 2
empleados, son de múltiple pared con lo que se incrementa su
conductividad y se favorece la captación y transmisión de las
señales de potencial biológico.
Los citados nanotubos de carbono 2, de múltiples
paredes, se han obtenido por crecimiento directamente en el
sustrato 4, el cual es de titano o de silicio altamente dopado.
En otro ejemplo de realización mostrado en la
Fig. 2 el sensor 1 incluye adicionalmente un sistema de
amplificación de la señal 5 integrado dentro de la misma carcasa 8
para disminuir el ruido en las medidas. En este caso se reproduce
la disposición de elementos descrita anteriormente, de nuevo, se
tiene una interfaz de CNT 2 en forma de cerdas de un cepillo en
contacto con la capa más externa de la piel 6 (penetrando
ligeramente en la misma) e igualmente se cuenta con una instalación
o medio de transporte 7, tal como un cableado para transportar la
señal eléctrica, que esta vez estará conectada directamente al
dispositivo amplificador 5.
El sensor de la invención puede construirse de
manera que pueda incorporarse directamente en distintos sustratos,
tales como prendas de ropa, almohadas, colchones u otros. En una
realización particular se ha previsto que dicho sustrato conductor
esté integrado en un material que forma parte de una superficie de
dicha prenda de ropa u otro artículo proveedor de un sustrato.
Teniendo en cuenta que el sensor
electrofisiológico de la invención opera a modo de electrodo
biológico como un transductor que convierte una corriente fónica en
una corriente eléctrica, se ha previsto que en una realización
posible el sensor de la invención emplee además un recubrimiento
adecuado para facilitar la reacción Red-OX en la
zona de interfaz y a tal efecto los citados nanotubos 2 están
recubiertos, al menos parcialmente (en la región de sus puntas),
con un recubrimiento apropiado y en particular con un recubrimiento
de Ag-AgCl.
En otra ejecución de la invención se ha previsto
que el sensor electrofisiológico descrito albergue además un
circuito electrónico para un procesado y tratamiento de la señal, y
un transmisor de radio-frecuencia.
En la Fig. 3 se ha representado una simulación
mediante un circuito equivalente del comportamiento del sensor
electrofisiológico de la invención, en relación con una señal
iónica captada por el sensor.
A diferencia del comportamiento de un sensor
similar del estado de la técnica en el cual existirán al menos dos
acoplamientos R-C, con sus correspondientes
resistencias de entrada y salida asociada, correspondiendo
respectivamente a una primera interfaz gel-piel y a
una segunda interfaz gel-electrodo en la propuesta
de la presente invención dicho acoplamiento R-C se
ve limitado al acoplamiento piel-sensor, derivando
de ello una reducción notable en el ruido introducido en la señal
débil captada, debida a las menores acumulaciones de carga en las
capas de interfaz, en especial al evitar la interfaz
gel-piel la cual es sabido que aporta una componente
de inestabilidad debida con alta probabilidad a la difusión del gel
en el stratum comeum que es un proceso dinámico no
homogéneo.
Entre las aplicaciones del sensor
electrofisiológico de la invención destaca la sustitución de
electrodos electrofisiológicos conocidos para EEG, ECG, EMG, EOG, o
para aplicaciones de interfaz cerebro-máquina, así
como la utilización de dicho sensor para comunicaciones entre
dispositivos en el cuerpo humano (exterior o implantes) utilizando
como medio conductor el interior del cuerpo.
Otras aplicaciones del sensor electrofisiológico
descrito están en el área de la investigación sobre el sueño y en
particular para vigilancia del estado de vigilia o de sueño en un
individuo o para estudios de fatiga y en la área de biometría
basado en EEG y ECG.
Un experto en la materia será capaz de efectuar
variaciones y modificaciones en los ejemplos de realización
indicados y de introducir otros elementos en la cadena captadora
del sensor, en si conocidos, sin salirse del alcance de la presente
invención según está definido por las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (17)
1. Sensor electrofisiológico del tipo que está
basado en nanoestructuras conductoras susceptibles de transmitir
una señal eléctrica captada desde la piel o desde otra parte de un
tejido orgánico a un medio transmisor (4, 7) de dicha señal
caracterizado porque comprende una pluralidad de dichas
nanoestructuras que adoptan una configuración filiforme, rígida y
están conectadas químicamente por un extremo a un sustrato
conductor (3) acoplado eléctricamente a dicho medio transmisor,
siendo operables para penetrar, al menos parcialmente, por su
extremo libre en dicho tejido orgánico o piel (6).
2. Sensor electrofisiológico
caracterizado porque dicha pluralidad de nanoestructuras en
forma de elementos filiformes rígidos, comprenden unos nanotubos de
carbono (2), conductivos e inertes, agrupados a modo de cerdas de
un cepillo.
3. Sensor electrofisiológico, según la
reivindicación 1, caracterizado porque dichos nanotubos de
carbono (2) son de pared múltiple.
4. Sensor electrofisiológico, según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado
porque dicho sustrato conductor (3) es de titanio o de silicio
altamente dopado.
5. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque dichos nanotubos
están recubiertos, al menos parcialmente, con un recubrimiento que
facilita una reacción Red-Ox.
6. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque dichos nanotubos
están recubiertos, en la región de sus puntas, susceptibles de
entrar en contacto con la piel, con un recubrimiento que facilita
una reacción Red-Ox.
7. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque dichos nanotubos
están recubiertos, al menos parcialmente, con un recubrimiento de
Ag-AgCl.
8. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque integra una
carcasa envolvente (8) que alberga dicho medio transmisor de la
señal que comprende un conector (4) que se continua en un conductor
o cableado (7), teniendo dispuesta la carcasa (8) en una pared
externa dicho sustrato conductor (3) soporte de las nanoestructuras
(2).
9. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, 8 caracterizado porque
integra en asociación con dicho medio transmisor (4, 7) un
amplificador local (5).
10. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, 8 caracterizado porque
está incorporado en distintos soportes, tales como prendas de ropa,
almohadas, colchones u otros.
11. Sensor según la reivindicación, según una
cualquiera de las reivindicaciones 1-4, 8
caracterizado porque está incorporado en distintos soportes,
tales como prendas de ropa, almohadas, colchones u otros, y porque
dicho sustrato conductor (3) está integrado en un material que forma
parte de una superficie de dicha prenda de ropa u otro artículo
proveedor de un sustrato.
12. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque alberga además
un circuito electrónico para un procesado y tratamiento de la
señal.
13. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque integra además
un amplificador local (5) y un circuito electrónico digital para el
control de amplificación.
14. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque integra además
un circuito electrónico digital adaptado para compresión de las
señales digitalizadas, previa a la transmisión de la señal.
15. Sensor según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque además alberga
un circuito electrónico inalámbrico para la transmisión de
datos.
16. Uso de un sensor electrofisiológico según
una cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 9 y 12 a 15 en
EEG, ECG, EMG, EOG, o para aplicaciones de interfaz
cerebro-máquina, de biometría o sistemas para
detectar fatiga e hipovigilancia.
17. Uso de un sensor electrofisiológico según
una cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 9 y 12 a 15
para vigilancia del estado de vigilia o de sueño en un
individuo.
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|---|---|---|---|
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