ES2319755T3 - Caracterizacion especifica de volumen de piel humana mediante inmitancia electrica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para medir las características eléctricas de dos capas externas de la piel, es decir, la capa córnea y la piel viable, que comprende las etapas de: -aplicar una corriente o voltaje, que oscilan en un intervalo de frecuencias seleccionado, a la piel entre dos electrodos de suministro (C 1, C 2), medir un primer voltaje entre un primer electrodo de dichos electrodos de suministro y un primer electrodo de captación (V1) al cual no se aplica dicha corriente y voltaje, estando el primer electrodo de captación (V 1) situado a una distancia elegida de dicho primer electrodo de suministro (C 1), -medir un segundo voltaje entre el primer electrodo de captación (V1) y un segundo electrodo de captación (V2) al cual no se aplica dicha corriente y voltaje, estando el segundo electrodo de captación (V2) situado a una mayor distancia del primer electrodo de suministro (C1) que el primer electrodo de captación (V1), - comparar los voltajes primero y segundo para proporcionar la permitividad y/o resistividad de al menos una de las capas externas de la piel.
Description
Caracterización específica de volumen de piel
humana mediante inmitancia eléctrica.
Esta invención se refiere a un montaje de sensor
y a un procedimiento para medir características de una superficie,
preferiblemente piel, y más específicamente a un sistema para
medidas de inmitancia específica de volumen sobre la piel humana.
Las medidas se realizan para caracterizar el estado fisiológico del
volumen de piel específico como, por ejemplo, la viabilidad, el
contenido de humedad, la estructura, la composición, etc. Ejemplos
de posibles aplicaciones de esta invención son la detección de vida
en sistemas de reconocimiento de huellas, medidas de la hidratación
profunda específica de la piel o la detección de la respuesta
electrodérmica localizada en los orificios de los conductos
sudoríparos.
La profundidad de medida para medidas de
bioimpedancia sobre la piel en general dependerá en gran medida de
la frecuencia de la señal aplicada, una mayor frecuencia significará
medidas a una mayor profundidad en la piel, como se analiza en el
artículo de Martinsen Ø.G., Grimnes S. y Haug E. Measuring depth
depends on frequency in electrical skin impedance measurements.
Skin Res. Technol., 5, 179-181,1999. La
espectroscopía de impedancia sobre un volumen de piel definido es,
por tanto, imposible con las técnicas convencionales, puesto que
cada frecuencia representará un volumen diferente de piel. Sin
embargo, la invención aquí descrita permite un mayor grado de
medidas multi-frecuencia enfocadas sobre capas o
volúmenes específicos de piel.
La medida de características tisulares usando
electrodos también se conoce de otras diversas publicaciones, como
el documento US 6.175.641, que no tiene en cuenta la naturaleza en
capas de la piel, el documento US 5.353.802, que está dirigido al
barrido profundo de órganos usando electrodos de anillos
concéntricos, y el documento US 5.738.107, que mide el contenido de
humedad de la piel mediante el uso de electrodos relativamente
grandes. Ninguna de estas técnicas ofrece la posibilidad de medir
selectivamente las capas específicas de piel, objeto de esta
invención.
Otra solución conocida para medir
características de la piel se describe en la solicitud de patente
internacional WO-A-99/23945, en la
que se analiza una disolución para detectar anomalías en la piel. Se
usa la impedancia local alrededor de un electrodo pequeño para
medir el grado de daño causado a la piel y, por tanto,
indirectamente también la profundidad del daño. El procedimiento
descrito no proporciona posibilidad de medir el mapa de
características de las capas de la piel mediante medidas de
impedancia, por ejemplo, las necesarias para confirmar si un dedo
está constituido por tejido vivo.
Las medidas de las capas de la piel se analizan
en el documento US 4.540.002, en el que se usan los cuatro
electrodos, dos electrodos para aplicar una corriente constante a la
piel y dos para medir la impedancia en la piel. A continuación, la
impedancia entre los electrodos de aplicación de corriente se
elimina de las medidas. En la realidad este sistema no es práctico
y no tiene en cuenta la parte compleja de la señal de
impedancia.
El documento US 4.966.158 describe la medida de
humedad en la piel y no permite medidas de profundidad de las
diferentes capas de la piel, mientras que la solicitud
estadounidense nº 2001/0005424A1 describe un modo muy sencillo de
usar dos electrodos para medir la impedancia de la piel con fines de
detección de dedos vivos. En la práctica, lo anterior no
proporciona suficiente fiabilidad porque es fácil realizar hacer
dedos falsos que tengan las mismas características de impedancia
que se indican en la solicitud.
Por tanto, es un objeto de esta invención
proporcionar un procedimiento para medir características de una
superficie que proporcione medidas en profundidad fiables de tejido
cercano a una superficie, por ejemplo, para confirmaciones de dedos
vivos y medidas de hidratación de la piel.
Este objeto se consigue con el procedimiento de
la reivindicación 1.
La invención se describirá a continuación en
referencia a los dibujos adjuntos a modo de ejemplo.
la fig. 1 ilustra un montaje para llevar a cabo
el procedimiento de la invención.
la fig. 2 ilustra la resistividad y la
permitividad relativa de la capa córnea y la piel viable.
Las medidas usando electrodos con un tamaño
comparable al espesor de la capa córnea (CC) se centrarán, debido a
la elevada densidad de corriente en las cercanías de los electrodos,
en medidas sólo de la CC. Esto se ilustra en la figura 1, donde se
ha realizado una simulación de elementos finitos (MEF) a 100 kHz en
un sistema que comprende cuatro electrodos de metal (C1, C2, V1 y
V2) en la parte superior de una capa de la CC epidérmica, y de
nuevo en la parte superior de una capa de piel viable (la figura 1
muestra sólo un segmento del modelo total simulado). Los electrodos
se pueden acoplar galvánicamente a la superficie de la piel o se
puede acoplar el voltaje a la piel mediante un dieléctrico o
aire.
La figura 1 muestra las líneas E equipotencials
y, por tanto, ilustra claramente que cualquier medida monopolar en
los electrodos C1 o C2, o una medida bipolar u1 entre estos dos
electrodos, estará totalmente dominada por la
CC.
CC.
Además, la utilización de un electrodo de
captación de voltaje (V1 o V2) adyacente al electrodo portador de
corriente hará posible dirigir las medidas sobre la CC también para
electrodos más grandes. Aunque las líneas equipotenciales variarán
en función de, por ejemplo, la hidratación de la CC y otras
variables, las simulaciones en las que se modificó la admitividad
de la CC un intervalo grande de seis órdenes de magnitud (se
eligieron valores de 10^{-3} a 10^{+3} veces los valores
normales de la CC) mostraron que un electrodo de captación de
voltaje situado aproximadamente a 1-2 veces el
espesor de la CC del electrodo portador de corriente producirían
siempre una línea equipotencial que delimita un volumen que
comprende la mayor parte del espesor de la CC y no hay una
contribución significativa de la piel viable.
Por tanto, la medida del voltaje u2 diferencial
entre este electrodo y el electrodo portador de corriente
proporcionará siempre medidas aisladas de la CC, mientras que las
medidas de voltaje u3 entre el primer electrodo captador y el
siguiente electro de captación (V1 y V2 en la figura 1) darán
siempre resultados que están totalmente dominados por la piel
viable (siempre usando C1 y C2 para la inyección de corriente).
Puesto que la CC es mucho menos conductora (o más correctamente,
admitiva), las partes del volumen medido que se extienden en la CC
en lo anterior, una medida tetrapolar tendrá una densidad de
corriente muy baja y, por tanto, contribuirá de forma no
significativa a los valores medidos. Los electrodos de captación en
esta configuración deben ser pequeños y no se deben colocar
demasiado cerca de los electrodos de suministro de corriente C1 o
C2, para evitar que cualquier corriente eléctrica circule a través
de los electrodos de captación V1 o V2.
La invención descrita aquí está basada en el uso
de electrodos de captación de voltaje en combinación con electrodos
de inyección de corriente para permitir la caracterización de
volúmenes de piel definidos midiendo su inmitancia eléctrica. Se
pueden medir uno o más volúmenes y estos volúmenes se pueden medir
simultáneamente o sucesivamente. Alternando la relación entre los
electrodos, por ejemplo, midiendo el voltaje entre los electrodos
de captación y entre cada electrodo de captación y cada electrodo de
suministro, se pueden medir diferentes profundidades y, por tanto,
se puede obtener una caracterización de las capas de la piel.
Además, el tamaño preferible de los electrodos
de captación, comparable con el espesor de la CC, o de 0,01 mm a
0,5 mm dependiendo de la piel de la parte del cuerpo elegida,
permite la detección de características pequeñas y el uso de
frecuencias relativamente altas. Cuando se mide la característica de
la CC, la distancia entre el electrodo de captación y el electrodo
de suministro de corriente más cercano cuyo voltaje se está
midiendo es del mismo orden que, por ejemplo, el espesor de la CC o
menos de 1 mm.
En base a las medidas de voltaje o impedancia
realizadas mediante los electrodos de captación, se pueden medir
por tanto las características de la superficie de un dedo hasta una
profundidad determinada, dependiendo de la distancia y
configuración de los electrodos. La realización con cuatro
electrodos que comprende dos electrodos de captación representará
solo las capas de piel viva más profundas si la distancia entre los
electrodos de corriente y voltaje es mayor que el espesor de la CC
(por ejemplo, aproximadamente 50-100 \mum de la
superficie). Si la distancia es menor, la conductividad lateral de
la CC contribuirá y características tisulares, tales como
anisotropías, en la CC.
\vskip1.000000\baselineskip
En cualquier sistema electrónico de
reconocimiento de huellas será siempre importante que sea capaz de
detectar la presencia de un dedo arificial o un dedo muerto
(cortado). Mientras que un dedo artificial hecho de un material
como, por ejemplo, goma sería bastante fácil de detectar con una
cualquiera de las diferentes técnicas, una fina capa de látex con
un patrón impreso que cubra un dedo vivo real constituiría un gran
desafío. Un dedo de este tipo compartiría la mayoría de las
características con un dedo auténtico, como por ejemplo, la
temperatura, el pulso sanguíneo, etc. Cualquier medida convencional
de inmitancia eléctrica (como, por ejemplo, la descrita en el
documento US 6175641) también
resultará errónea si el usuario, por ejemplo, aplica algo de humedad (por ejemplo, saliva) sobre la superficie de látex.
resultará errónea si el usuario, por ejemplo, aplica algo de humedad (por ejemplo, saliva) sobre la superficie de látex.
En el caso de un dedo muerto (cortado), las
diferencias más evidentes con un dedo vivo son que un dedo vivo
está supuestamente más caliente que uno muerto, que un dedo vivo
tendrá pulso sanguíneo y que esta sangre será oxigenada. La
investigación ha mostrado además que las propiedades eléctricas del
tejido vivo cambian drásticamente post mortem. Se han publicado un
gran número de artículos de investigación sobre los cambios post
mortem en las propiedades eléctricas del tejido, por ejemplo, del
músculo, el hígado, el pulmón y el cerebro. Un ejemplo de nuestro
propio grupo es: Martinsen \diameter.G., Grimnes S., Mirtaheri P.:
Non-invasive measurements of post mortem changes in
dielectric properties of haddock muscle - a pilot study. J. Food
Eng., 43(3), 189-192, 2000.
La detección de vida por medio de calor fallará
debido al procedimiento obvio de calentar, por ejemplo, un dedo
cortado, entre las manos. La evaluación por infrarrojos del oxígeno
en sangre es otra posibilidad, pero no funcionará, por ejemplo, con
tiempo frío, puesto que el organismo detiene la microcirculación en
los dedos cuando la temperatura ambiente desciende. La medidas de
pulso basadas, por ejemplo, en una pletismografía de impedancia
serán muy difíciles de realizar en la práctica, puesto que la señal
dinámica, incluso en un sistema optimizado, es habitualmente sólo
del 0,1% y además estas medidas presentan los mismos problemas si
el tiempo es frío. Las medidas de pulso basadas en señales ECG
podrían, por supuesto, ser una alternativa, pero un dedo sólo no
captaría ninguna señal, lo que hace que este enfoque no sea
interesante.
La invención aquí descrita hará posible medir la
inmitancia de la CC y las capas de piel viable simultáneamente, an
una frecuencia o un intervalo de frecuencia, preferiblemente en el
intervalo de 10-1000 kHz, especialmente
aproximadamente 100 kHz. Las componentes complejas se pueden medir
usando rectificadores síncronos o se pueden usar las relaciones de
Kramers-Kronig para, por ejemplo, deducir la
respuesta de la fase a partir del módulo. Características como, por
ejemplo, la anisotropía eléctrica, se pueden usar también con un
modelo multivariable para mejorar este procedimiento de detección
en dedos vivos.
La figura 2, que es una cita de Yamamoto and Y.
Yamamoto, Med. Biol. Eng. Comput., 14, 592-594,
1976, muestra que la capa córnea y la piel viable tienen
propiedades eléctricas muy diferentes, especialmente a bajas
frecuencias, pero también, por ejemplo a 100 kHz, donde la
diferencia en la resistividad es aproximadamente 400 veces y en la
permitividad relativa aproximadamente 20 veces. Además, la respuesta
con la frecuencia es muy diferente para la capa córnea y la piel
viable. La capa córnea tiene una dispersión significativa de la
resistividad mientras que la resistividad de la piel viable es
bastante constante y justo al contrario para la permitividad. Un
sistema para la detección de dedos vivos en el que se realicen
medidas en estas dos capas de la piel simultáneamente será difícil
de burlar, tanto debido a las características y propiedades
eléctricas muy diferentes de estas dos capas como debido a que las
propiedades de la piel viable cambian drásticamente post mortem. En
caso de un dedo auténtico con una fina capa de látex, esta
estructura de tres capas se puede detectar fácilmente y el sistema
ya no se puede burlar simplemente estableciendo una corriente
eléctrica en una capa húmeda de la superficie.
\vskip1.000000\baselineskip
La función de la piel es muy dependiente del
estado de hidratación de la CC epidérmica. Monitorizado el estado
de hidratación de la capa córnea se puede realizar un diagnóstico
temprano del estado no visible de la piel. Además, la medida de la
hidratación de la CC es importante también en la evaluación de los
efectos de las formulaciones tópicas como, por ejemplo, las
hidratantes de la piel.
Hemos desarrollado anteriormente un
procedimiento eléctrico para medidas de la hidratación de la piel,
en base a medidas de susceptancia a baja frecuencia (véase, por
ejemplo, el documento US 5738107). Hay una razón para creer que las
medidas multi-frecuencia en la CC proporcionarán
información adicional que puede ser útil en la evaluación de la
hidratación y el estado de la CC, pero el hecho de que las medidas
multi-frecuencia en la CC pura in vivo ha
sido imposible de realizar hasta el momento ha impedido la
investigación adicional en esta área.
La invención descrita aquí permitirá, por tanto,
medidas multi-frecuencia localizadas sobre capas de
piel seleccionadas como, por ejemplo, la CC. Con una elección
cuidadosa del tamaño y la geometría de los electrodos también será
posible lograr medidas en diferentes capas del la propia CC. Esto
será importante puesto que ya sabemos que el agua no está
distribuida de forma homogénea en la CC, sino que aparece más bien
como un gradiente de agua con las capas más internas en equilibrio
con la humedad y las capas viables y las capas externas en
equilibrio con la humedad relativa del ambiente.
\vskip1.000000\baselineskip
La actividad sudorípara en las zonas de piel
palmar y plantar es muy sensible a los estímulos o estados
psicológicos. Los cambios se detectan fácilmente por medio de
medidas eléctricas y, puesto que los conductos sudoríparos son
predominantemente resistivos, se usa habitualmente una medida a baja
frecuencia o de conductancia con CC en las medidas de respuesta
electrodérmica (EDR).
El detector de mentiras es quizás el instrumento
más habitualmente conocido, en el que se utiliza la detección
eléctrica de la actividad EDR. Sin embargo, hay otras diversas
aplicaciones para tales medidas, principalmente dentro de dos
categorías: enfermedades neurológicas o medidas psicofisiológicas.
Ejemplos de la primera categoría son neuropatías (por ejemplo,
diabetes), lesiones nerviosas, depresiones y ansiedad. La última
categoría puede incluir desordenes emocionales, evaluación del
dolor y la detección de mentiras.
Las medidas de EDR se realizan convencionalmente
con electrodos para piel que son mucho mayores que el área
habitualmente ocupada por un único orificio de conducto sudoríparo.
Por tanto, solo se puede medir el efecto global o medio de muchos
conductos sudoríparos individuales. Puesto que la inervación de las
glándulas sudoríparas no es necesariamente síncrona, hay
potencialmente más información disponible si uno se pudiese central
en las medidas de un área más pequeña.
La invención aquí descrita permitirá tales
medidas en un volumen pequeño y definido de piel y será, por tanto,
valiosa para futuras generaciones de instrumentos para medidas de
EDR.
\newpage
El procedimiento según la invención se puede,
por tanto, resumir como un procedimiento para medir las
características eléctricas de dos partes externas de la piel, es
decir, la capa córnea y la piel viable, que comprende las etapas de
aplicar una corriente o voltaje a la piel entre dos electrodos de
suministro, medir el voltaje entre uno de dichos electrodos de
suministro y un primer electrodo situado a una distancia elegida de
dicho electrodo de suministro, medir el voltaje entre los
electrodos primero y segundo, estando el segundo electrodo situado
a una mayor distancia del primer electrodo de suministro que del
primer electrodo, y comparar los voltajes medidos en los dos
electrodos para proporcionar la permitividad y/o resistividad de al
menos una de las capas de la piel. El papel de los dos electrodos
de captación puede variar para permitir medidas de diferentes
profundidades. Esto, sin embargo, requiere que las distancias entre
los electrodos no sean iguales.
Claims (4)
1. Procedimiento para medir las características
eléctricas de dos capas externas de la piel, es decir, la capa
córnea y la piel viable, que comprende las etapas de:
- -
- aplicar una corriente o voltaje, que oscilan en un intervalo de frecuencias seleccionado, a la piel entre dos electrodos de suministro (C_{1}, C_{2}),
- -
- medir un primer voltaje entre un primer electrodo de dichos electrodos de suministro y un primer electrodo de captación (V_{1}) al cual no se aplica dicha corriente y voltaje, estando el primer electrodo de captación (V_{1}) situado a una distancia elegida de dicho primer electrodo de suministro (C_{1}),
- -
- medir un segundo voltaje entre el primer electrodo de captación (V_{1}) y un segundo electrodo de captación (V_{2}) al cual no se aplica dicha corriente y voltaje, estando el segundo electrodo de captación (V_{2}) situado a una mayor distancia del primer electrodo de suministro (C_{1}) que el primer electrodo de captación (V_{1}),
- -
- comparar los voltajes primero y segundo para proporcionar la permitividad y/o resistividad de al menos una de las capas externas de la piel.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la frecuencia está en el intervalo de 10-1000
kHz.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, en el que la distancia entre el primer electrodo
de captación y el primer electrodo de suministro es menos de 1
mm.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el tamaño de las superficies
de contacto de los electrodos de captación es comparable al espesor
de la capa córnea.
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