ES2562810B1 - Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real e inalámbrica de cultivos celulares basado en un test de oscilación utilizando circuitos integrados - Google Patents

Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real e inalámbrica de cultivos celulares basado en un test de oscilación utilizando circuitos integrados Download PDF

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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radiowaves
    • A61B5/053Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body

Abstract

La invención se refiere a un nuevo sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real y de forma inalámbrica de cultivos celulares. El sistema electrodos como sensores de bioimpedancia e implementa un circuito "oscilador biológico" de medida con circuitos integrados. Se propone utilizar los parámetros de oscilación (frecuencia, amplitud, fase, etc.) como marcadores empíricos para realizar una interpretación adecuada en términos de identificación del tamaño de las células, conteo de células, crecimiento celular, ritmo de crecimiento, etc...

Description

Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real e

inalámbrica de cultivos celulares basado en un test de oscilación utilizando

circuitos integrados

5

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención se refiere a un nuevo sistema de medida de

bioimpedancia para la monitorización en tiempo real y de forma inalámbrica de

cultivos celulares. El sistema electrodos como sensores de bioimpedancia e

10
implementa un circuito "oscilador biol6gico~ de medida con circuitos integrados. Se

propone utilizar los parámetros de oscilación (frecuencia, amplitud, fase, etc.)

como marcadores empíricos para realizar una interpretación adecuada en

términos de identificación del tamaño de las células, conteo de células,

crecimiento celular, ritmo de crecimiento, etc .. .

J 5
La invención se enmarca dentro de la medida de impedancia eléctrica de material

biológico. También se refiere a un dispositivo electrónico sensor y toda la

circuitería necesaria para llevar a cabo dicha medida

Estado de la técnica

20
Caracterizar en detalle el número de células en un cultivo en un momento

específico, así como medir la razón de proliferación de las células, tiene amplia

implicación en biomedicina, tanto a nivel técnico cómo biológico. La densidad de

las células en el plato o reCipiente de cultivo afectara el éxito de muchas técnicas

diferentes, incluyendo transfección, infección, reacción a muchos productos

25
químicos, drogas, motilidad, etc.. El conocimiento en el tiempo de la densidad

celular de cultivos celulares y su evolución temporal puede ayudar a mejorar la

calidad de los experimentos realizados por profesionales en laboratorios

biomédicos, así como a reducir los costes materiales y de recursos humanos.

30
Desde un punto de vista biológico, se trata de una herramienta potente para el

estudio de una célula: la excesiva proliferación es el sello de célula cancerígena y

cualquier tratamiento físico o químico que reduzca la velocidad del crecimiento

celular conduce a la potencial terapia oncológica; La falta de proliferación

normalmente indica la muerte excesiva de células, debido a mecanismos

35
extrinsecos o intrínsecos, o la activación de caminos celulares envejecidos (la

senectud celular). Así, la comprensión de los procesos que reducen o aceleran la velocidad de proliferación de un cultivo es un instrumento potente de investigación.

Sin embargo, a pesar de su importancia, los biólogos no pueden supervisar la

5 proliferación celular en detalle. A este nivel, se han de afrontar dos problemas técnicos importantes. En primer lugar, los protocolos para estimar el número de células en una placa de cultivo convencional son altamente invasivos, y afectan profundamente la biología de las células. En la mayoría de los casos las células más largas no pueden ser usadas para experimentos subsecuentes. En segundo

10 lugar, los cientificos sólo pueden tomar instantáneas del cultivo en puntos especificos. Así, para la mayor parte de investigadores que usan células mamíferas, la única alternativa es establecer experimentos paralelos y reconstituir la progresión de un cultivo usando dichos experimentos. En muchos casos esta metodología conduce a un análisis retrospectivo, y la comprensión de cómo se

15 han comportado las células sólo puede hacerse al final del experimento, como un agregado de varios sub-experimentos similares.

Muchos parámetros biológicos y procesos pueden ser detectados y controlados mediante la medida de su bioimpedancia, con la ventaja de ser una técnica no

20 invasiva y relativamente barata. El crecimiento de una célula, los cambios en la composición celular o los cambios en la ubicación de la célula son sólo algunos ejemplos de procesos que pueden ser detectados por micro-electrodos mediante cambios de impedancia [1-4].

25 Esta técnica (Electrical Cell-substrate Impedance Spectroscopy, ECIS) fue inventada por Ivar Giaever y Charles Keese en 1986 [1], registrando en una patente un aparato para la monitorización de cultivos celulares, basado en una serie de pOcillos donde se realiza el cultivo celular, cada uno de ellos con un array de micro-electrodos por los que se introduce una corriente alterna, midiéndose la

30 impedancia eléctrica resultante. Esta patente inicial [5] fue completada con una serie de patentes relacionadas, aplicadas al tema del estudio de la movilidad celular [6] o de la actividad metastásica de células cancerígenas [7].

Otro sistema de medida de bioimpedancia fue registrado en 2005 por B. Rubinsky 35 et al. [8]. Este sistema utiliza dos electrodos entre los que se aplica una diferencia de potencial y una membrana dieléctrica con micro-agujeros por los que se fuerza

el paso de la corriente eléctrica_ En España también se han registrado métodos para la determinación y visualización simultánea de señales de bioimpedancia eléctrica en malerial biológico a varias frecuencias [9], utilizando un tratamiento de

la señal de excitación y de respuesta como dos funciones independientes en el dominio del tiempo, y aplicando técnicas de procesamiento de señal (correlación cruzada y transformación de Fourier) para obtener mejores resultados.

En general, para el problema de medir una impedancia Zx dada, de magnitud Zxo y fase <l>, se han descrito varios métodos, los cuales requieren circuitos de excitación y de procesamiento. la excitación se suele implementar con corriente alterna (AC), mientras que el procesamiento se basa en el principio de demodulación coherente [10] o muestreo síncrono [11-12J. En ambas, el procesamiento de circuitos debe estar sincronizado con las señales de excitación, como un requisito para que la técnica funcione, obteniendo el mejor ruido el rendimiento cuando se incorporan las funciones de filtro adecuado (High-Pass (HP) o Low-Pass (LP)).

Este trabajo presenta un nuevo sistema de medida de impedancia para muestras biológicas útil para obtener información de un cultivo celular en tiempo real y de forma inalámbrica. Se basa en el uso de un array bidimensional de electrodos como sensores de bioimpedancia, circuitos integrados para la implementación del circuito de medida (oscilador) y en la utilización de las señales eléctricas resultantes (oscilaciones) como parámetros de interpretación del estado del cultivo.

La idea es conceptualmente distinta a los métodos anteriormente reportados, ya que no usa señales de excitación. Se trata de convertir el ~circuito biológico" (formado por el cultivo celular, los electrodos y unos pocos componentes electrónicos añadidos) en un oscilador. Cualquier modificación de la parte biológica (por ejemplo un cambio en el número de células) producirá cambios tanto en la frecuencia como la amplitud de las oscilaciones y esta alteración llegará a ser observable para sacar conclusiones sobre el comportamiento del cultivo en tiempo real. Por todas estas razones, cualquier aportación técnica que facilite la monitorización de la progresión celular, especialmente una monitorización a tiempo real, tiene un impacto inmediato en las ciencias biológicas; más en particular aquellas que

reduzcan los efectos negativos sobre las células y que permitan medir de forma

continua el número de células en un plato. De esta forma, vale la pena desarrollar

técnicas de medida que permitan a investigadores supervisar la evolución de sus

experimentos en tiempo real, con un montaje sencillo y autónomo, como es el

5 caso de esta invención.

DOCUMENTOS RELEVANTES

[1J l. Giaever et al. , Use of Elecirle Fields to Monitor the Dynamical Aspect of Cell Behaviour in Tissue Culture, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, vol 10 BME-33, n° 2, pp: 242-247, Feb. 1986.

[2] S. M. Radke and E. C. Alocilja, Design and Fabrication of a Microimpedance Biosensor tor Bacterial Detection, IEEE Sensor Journal, vol 4, nO 4, pp: 434-440, Aug.2004.

[3] D. A. Borkholder: Cell-Based Biosensors Using Microelectrodes, PhD Thesis, Stanford University. Nov. 1998.

[4] A. Yúfera el aL, A Tissue Impedance Measurement Chip for Myocardial

20 Ischemia Detection. IEEE transaction on Circuits and Systems: Part 1. vol. 52, nO:12, pp: 2620-2628. Dec. 200S.

[5] 1. Giaever, C. R Keese, Cel! substrate electrical impedance sensor with multiple

electrode array, US S,187,096, Feb. 16, 1993. 25

[6] 1. Giaever, C. R Keese, Electrical wounding assay far cells in vitro, US 7,332,31 3 Feb. 19, 2008.

[7} 1. Giaever, C. R Keese, Real-time impedance assay to follow the invasive 30 activities of metastatic cells in culture, US 7,399,631 , July 15, 2008.

[8} B. Rubinsky, Y. Huang, Cell viability detection using electrical measurements, US 6,927,049 B2, Aug. 9, 200S.

35 [9] P. Owen Whiters, Método y aparato para mostrar bio-impedancia en múltiples frecuencias, ES 2 118 133 T3.

[10] J. J. Ackmann, Complex bioelectric impedance measurement system for the

Irequency range Irom 5-1 MHz, Annals 01 Biomedical Engineering 21 (1993) 13S40 146.

[11] R.Pallas, J.G.Webster, Bioelectric impedance measurements using synchronous sampling, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 40 (8) (1993) 82_29.

[12] M. Min, A. Kink, R land and T. Parve, Method and device far measurement of electrical bioimpedance, US 7,706,872 82, Apr 27, 2010

[13] XHuang et aL , Simulation of Microelectrode Impedance Changes Due to Cell 50 Growth, IEEE Sensors Joumal, vol.4, nOS, pp: S76-S83. 2004.

[14] P. Daza, A. Olmo, D. Cañete, and A. YÚfera. Monitoring Living Cell Assays with Bio~lmpedance Sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. Elsevier, pp: 605-610: vol.176. January. 2013.

5 (15] G. Huertas el al. Oscillation-Based Test in Mixed-Signal Circuits (Frontiers in Electronic Testing). Springer. 2006.

[16] J. Gibson. Nonlinear Automatic Control. McGraw-HiIl. Japan, 1963.

10 [17] P. Fleischer, A. Ganesan and K. Laker, A Switched Capad-tar Oscillator with Precision Amplitude Control and Guar-anteed Start-Up, IEEE Journal of SolidState Circuits, Vol. SC-20, No. 2, Aprit 1985.

[18] N. Joye, et aL , An Electrical Model of the Cell-Electrode Interface tor High15 density Microelectrode Arrays, IEEE EMBS, pp: 559-562. 2008.

Descripción del contenido de las figuras Figura 1. Sistema de medida bio-electrónico. (a) Modelo eléctrico de un electrodo. 20 (b) Modelo eléctrico de un electrodo parcialmente cubierto por células (ff = AJAe).

(e) Circuito para el testado de la bioimpedancia célula-electrodo. Valores para un electrodo de tamaño 50x50 ~m': R,=5.4 kil, Z(w) = C,IIR", with C,= 0.37nF and R,= 25MO. R",=75kO.

25 Figura 2. Diagrama de bloques del sistema de medida propuesto objeto de esta invención.

Figura 3. Dependencia de los parámetros de oscilación (fose, aosc) con el solapamiento del área de la célula con el electrodo definido por el factor de 30 llenado, ff. La sensibilidad aproximada es O.16HzllJm2 para fose, usando un microelectrodo cuadrado de 50IJm de lado.

Figura 4. (a) Relación entre la amplitud de la salida secundaria y la frecuencia de oscilación. (b) Dependencia de la mplitud de la salida secundaria (Aosa) con el

35 solapamiento célula-electrodo definido con ff. La sensibilidad aproximada es O.2mV/lJm2 para la salida secundaria, Voo121 usando un micro-electrodo de 50IJm de lado.

Figura 5. Ejemplo esquemático del filtro usado en la invención.

Figura 6. Ejemplo de esquemático del filtro filtro paso de alta más comparador usado en I a invención.

Figura 7. Ejemplo de esquemático del AGC usado en la invención.

Figura 8. Diagrama de bloques del sistema global usado en la invención.

Figura 9. Diagrama de la multiplexación.

Descripción de la invención La impedancia de un sistema de dos electrodos (Figura 1 (a» ha sido ampliamente estimada [3, 13, 14]. Particularmente, en este trabajo, se ha considerado un microelectrodo que puede estar total o parcialmente cubierto por células en el cultivo. El factor de relleno (ff) representa la cantidad de área del electrodo (A) cubierta de células. Variando desde ff=O, si no se detecta la presencia de ninguna célula, hasta ff=1 , con la totalidad del área ocupada por células.

Nuestro objetivo es, usando el modelo eléctrico para la bioimpedancia (Figura 1 (b» anteriormente reportado [3, 13, 14], obtener el área de solapamiento de las células con el electrodo (Ac) empleando las medidas realizadas con la circuitería propuesta_

La respuesta en magnitud y fase para loeJl-elec1rode(S) se puede obtener a partir del montaje de la Figura 1 (c). El resistor R ;n permite mantener la corriente que fluye a través del sistema electrodo-célula en niveles de señal adecuados (1-20IJA para proteger la célula y 10-50mV para las restricciones del modelado del electrodo [3]).

El sistema objeto de la presente invención realiza las medidas del sistema bioelectrónico (Zcell-eiectrode) , lo que llamaremos de ahora en adelante CCUT (del inglés Cell-Culture Under Test , es decir, cultivo celular bajo testado). Este bio-sistema se transforma en un oscilador robusto, afladiéndole algunos componentes (Figura 2). Para forzar las oscilaciones, se ha implementado un lazo de realimentación positiva. La técnica, exige predecir con exactitud los parámetros de oscilación (frecuencia y amplitud), tanto analíticamente o por medio de simulaciones [15-17). También es necesario evitar la dependencia de estos parámetros con la característica de saturación de los elementos activos, como ocurre en los osciladores comunes. Una solución a este problema es usar un elemento no lineal

(un simple comparador) cerrando un lazo de realimentación para garantizar las oscilaciones aula manlenidas [15-17). Esle elemenlo no lineal lambién proporciona un control preciso de la amplitud de las oscilaciones. Por otro lado, necesitamos asegurar que este sistema cumpla con un conjunto (relativamente) simple de condiciones de oscilación que pueda dar información sobre los parámetros de oscilación. Una manera simple de obtener este objetivo es emplear un filtro paso de banda en el lazo, como planteamos en el bloque general de circuito en la Figura 2.

Por simplicidad, consideramos el caso de un filtro paso de banda de segundo orden y un comparador con niveles de saturación ±Vrer. Este sistema de lazo cerrado verifica las premisas requeridas: es autónomo, la no linealidad es separable e independiente de la frecuencia y la función de transferencia lineal contiene el suficiente filtrado paso de baja para despreciar los armónicos de alto orden en la salida del comparador. De esta forma, las ecuaciones que gobiernan las condiciones de oscilación pueden manejarse fácilmente.

Eligiendo adecuadamente el filtro paso de banda, el sistema de lazo cerrado de la Figura 2 se puede forzar a oscilar y su ecuación de descripción (OF) de primer orden [15], N(a)+1/H(s)=O, tiene una solución oscilatoria (wosc, aosc), siendo Wosc la frecuencia de oscilación y aosc la amplitud de oscilación. La función OF será en este caso N(a), mientras que H(s) es la función de transferencia del sistema de lazo abierto.

Matemáticamente, la ecuación característica es:

1 .. N(JJlH&;) = o

(1 )

donde, N(a) es la OF del comparador y H(s) el sistema modificado.

La función BP general vendrá dada por,

HBP(s) = sZ+~S"W;;2

(2)

siendo wo" , Q* y k1* los parámetros BPF.

La función de transferencia VouNin del sistema bio-electrónico de la Figura 1 (e) la llamaremos, H,(s),

k'

k 2S'k"'O+ I?[S + ,,(¡)'" Hz(s) = --s-'-..-~"'."-s-..-w-~-

(3)

5 Donde los parámetros constantes (wo, Q y ko, k1, k2) están directamente relacionados con el tamaño del electrodo, la tecnologla y el material biológico (ff). La expresión de la función total estará dada por,

HCs) = R,p(s) . H.Cs) (4) 10

Para forzar las oscilaciones, un par de polos complejos conjugados del sistema global tienen que estar ubicados sobre los ejes imaginarios. El camino para determinar las condiciones de oscilación (ganancia, frecuencia y amplitud) es resolver la ecuación (1).

15 Esto es equivalente a encontrar una solución del conjunto de ecuaciones

1 + NCa...lH(Sl = (S, .. w~l(S' + Bs +Al = O (5)

Siendo los coeficientes dados por las ecuaciones,

.. .

B.w = WOW2+WoW'2+N(, )k" U>~kW2

o&r Q' o Q' o o&r 1 Q' o o w,;.. A= W;W;2

(6)

Existe una solución de oscilación. Los parámetros de oscilación principales son función del área del cultivo celular ocupada. Esta dependencia se muestra en la 25 Figura 3, para la frecuencia y la amplitud de las oscilaciones. La salida del filtro biológico (la entrada al comparador en la Figura 2) es aproximadamente sinusoidal debido a la caracteristica paso de banda de la estructura global. Este hecho permite usa la aproximación lineal establecida por el método de la función de

descriptiva [15-17] para el tratamiento lineal del elemento no lineal. La función de transferencia del comparador, según esto, vendrá dada por:

(7)

Donde, como ya se dijo, Vref es la referencia de tensión del comparador (cuyo 5 valor puede ser barrido para obtener niveles de señal adecuados) y aosc es la amplitud de las oscilaciones.

Obsérvese que para nuestro ejemplo (Figura 3), la frecuencia de oscilación incrementa monótonamente en el rango [7560, 7920] Hz (O.16HzI~m2 del área de electrodo ocupada por células) y las amplitudes de oscilación [O, 40] mV, a

10 medida que crece el solapamiento del área de la célula en el electrodo. Debido a que el nivel de señal de salida Vout (ver Figura 2) es muy pequeño por las restricciones del modelo del electrodo, consideramos la señal secundaria (VOut2 en la Figura 2) como salida potencial (cuyo valor está relacionado con la frecuencia de oscilación), lográndose una mejora en el rango dinámico.

15 Si f(t) es la salida cuadrada del comparador, puede expresarse en términos de su desarrollo en serie de Fourier:

4 I I

f{t) = -Vrcf[sen(w,,<~t) +-sen(3w"sct) +-sen(5wosct) + .. . ]

n 3 5

Por otro lado, la ganancia del filtro paso de banda con respecto a la frecuencia de oscilación es:

(W'2_ W2 ),+(w"w"..e )'

GA/N = k' w"w"sc /

"MC

Q'

1 Q'

Resultado la siguiente expresión de la amplitud de la salida secundaria:

(W'2 _w2 )' +(w"w,,-,e )'

,,"sc Q'

(8)

25 Mostramos en la Figura 4 (a), cómo es esta dependencia yen la Figura 4 (b) cómo se mejora el rango dinámico si usamos la salida secundaria.

Las razones que hacen atractiva esta invención son: el concepto es muy simple, evita la necesidad de un equipamiento complejo y caro para la generación de 30 estimulos (de hecho, no requiere ninguna señal externa de entrada) y para la interpretación de la respuesta (las medidas a realizar son relativamente simples

[15]). Estas características son las que abren la puerta para extender el concepto a monitorización en tiempo real como proponemos aqui.

Modo de realización de la invención El esquemático del sistema principal (oscilador para las medidas) se mostró previamente en la Figura 2. Está compuesto, como dijimos, de tres bloques fundamentales: un filtro paso de banda (BP), el bloque de bioimpedancia y un comparador. Se requiere también de algún tipo de mecanismo de start-up.

Filtro paso de banda:

Un estudio teórico en profundidad de nuestro "oscilador biológico" (cuando se considera el caso particular de un micro-electrodo de oro, cuadrado, de 50 !-1m de lado, que puede estar cubierto parcial o totalmente de células en el cultivo) revela que la frecuencia óptima para el filtro paso de banda en orden a conseguir un modo de oscilación adecuado está alrededor de 8kHz. Sin embargo, de cara a obtener mayor flexibilidad, debido a la naturaleza de diferentes clases de electrodos, se ha implementado un filtro ajustable. Se eligió un filtro de variable de estado porque con esta topología se puede ajustar independientemente la frecuencia de resonancia, Wo, y el factor de calidad, Q. La Figura 5 muestra la implementación del filtro completo. Por simulación se pueden obtener los posibles valores de resistencia y, con ello, los valores de Wo (una vez seleccionados los valores de Rm Y e en la Figura 5). Estos valores tienen que ser elegidos para tener un rango de frecuencias desde 6_5kHz a 13kHz y una variación casi lineal sobre el rango completo. Este se consigue tomando Rm=10kO and C=1 .2nF.

Comparador:

La Figura 6 muestra el comparador usado. Está compuesto de tres bloques, el comparador en si mismo, un filtro paso de alta y un amplificador en configuración no inversora. La señal de salida de la bioimpedancia se filtra primero para reducir el ruido de baja frecuencia (principalmente los 50Hz de la red eléctrica) con un filtro paso de alta Sallen-Key ajustable a 1 kHz y con Q variable para permitir una selección precisa de la desviación de fase en la frecuencia de resonancia del filtro paso de banda. Entonces, la señal se amplifica x20 con una configuración no inversora y pasa al comparador donde gracias a los 6mV de histéresis se consigue la anulación del ruido. También, su rápida respuesta garantiza desviación de fase

baja. Además, debido a su entrada enable podemos mantener el sistema en standby mientras cambia la bioimpedancia o mientras el sistema está en su modo normal.

Control automático de ganancia (AGC):

Este elemento (Figura 7) se incluye por la ventaja de garantizar una tensión de salida constante para diferentes niveles de ocupación. El AGC permite usar un nivel de tensión mayor a través de la bioimpedancia a bajo nivel de ocupación y un nivel de tensión menor a altos niveles de ocupación. Esto hace al sistema menos sensible al ruido y resuelve los problemas que debemos afrontar con senales de decenas de milivoltios obtenidas para los niveles más bajo de ocupación. Con el uso del AGC la información sobre el nivel de ocupación reside en la tensión aplicada al amplificador de ganancia programable, que llamaremos Vg a partir de ahora. Este componente está compuesto de tres bloques: un amplificador de ganancia variable, un rectificador inversor de precisión y un amplificador no inversor (Figura 7).

Circuito digital:

El sistema objeto de la presente invención se compone de electrodos, sobre los cuales se realiza el cultivo celular, la circuitería necesaria para construir el oscilador y medir la impedancia, un circuito transmisor de radiofrecuencia para el envío inalámbrico de datos, y un micro-controlador para procesar los datos. El esquema de la arquitectura del sistema se muestra en la Figura 8.

La parte digital está compuesta por un microcontrolador responsable de activar el bio-oscilador, elegir la salida multiplexada (Figura 9) (si particularizamos el sistema para la medida a través de electrodos, de 50¡Jm x 50¡Jm) e interactuar con los usuarios.

El MCU necesita tener un ADC de al menos 6 bits para tener un 1,56% de precisión al medir Vg, temporizador con disparo externo y contador, modulo multiplicador, puerto serie, puerto usb y suficientes entradas y salidas de propósito general para poder conectar unos pulsadores, un display, un sensor de temperatura y humedad, un zumbador piezoelectrico y otros dispositivos o periféricos que se consideren necesarios o importantes.

El MCU activa el bio-oscilador, elige la celda deseada por medio del multiplexor, mide la frecuencia de oscilación del sistema y el valor del voltaje a Vg en el módulo AGC y calcula el valor del factor de relleno. Éste se muestra en el display

o puede configurarse el sistema para enviarlo por medio de su puerto serie a una conexión inalámbrica (Bluetooth por ejemplo) a algún dispositivo que acepte dicha conexión (teléfono móvil, ordenador...) El sistema también mide y envía información sobre la temperatura y la humedad, sobre el estado de la batería, el tiempo transcurrido, así como cualquier otra información que se considere importante. La conexión inalámbrica también permite al usuario configurar el dispositivo. Un zumbador piezoeléctrico actúa a modo de alarma y avisa al usuario cuando se produzcan situaciones que él mismo haya establecido. Una conexión USB puede usarse para acceso al registro de datos de experimentos realizados y también para actualizar el firmware del sistema. También se dota al sistema de un display que permite mostrar la información sobre el factor de relleno y otros datos si la conexión inalámbrica no puede usarse.

Todo esto permite la monitorización de forma inalámbrica del cultivo celular, sin necesidad de extraer las muestras de la incubadora o de interferir en los procesos propios del cultivo celular. De igual forma, el circuito transmisor y receptor de señales de radiofrecuencia permite la programación inalámbrica del bio-oscilador pudiendo ser establecidos remotamente los parámetros de control y medida descritos anteriormente.

Este circuito transmisor y receptor de señales de radiofrecuencia podrá ser implementado de forma que los datos se transmitan a una frecuencia de 2.4 Ghz u otras bandas disponibles, y de forma que sea compatible con los estándares 802.11, 802.15 o similares.

Este sistema de monitorización permite obtener de forma inalámbrica las medidas que muestran la evolución del cultivo celular en el tiempo, sin necesidad de realizar una inspección visual del cultivo, con el consiguiente ahorro de tiempo y con la posibilidad de implementar señales de alarma automáticas ante cambios inesperados. De igual forma, la automatización en la obtención de la información en forma digital permite un posterior procesado de los datos para un estudio más avanzado de la evolución del cultivo.

Claims (4)

  1. Reivindicaciones
    1. Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real y de forma inalámbrica de cultivos celulares formado esendalmente por un
    5 array bidimensional de electrodos como sensores de bioimpedancia donde se convierte el Mcircuito biológico· en un oscilador y se usa las sefiales eléctricas (oscilaciones) como parámetros de interpretación del estado del cultivo. El sistema está compuesto por: a) micro-electrodos como sensores de bioimpedancia
    10 b) que forman parte de un circuito oscilador de medida de bioimpedancia en bucle cerrado, e) que se conecta a un circuito de transmisión y recepción de seflales de radiofrecuencia y d) un micro-controlador para la monitorización e interpretación de datos.
  2. 2. Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real y de fOrn1a inalámbrica de cultivos celulares según la reivindicación 1, caracterizado porque los micro-electrodos se implementan a través de procesos CMOS.
  3. 3. Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real y de forma inalámbrica de cultivos celulares según la reivindicación 1, caracterizado por la utilización de los siguientes elementos:
    25 a) un array bidimensional de micro-electrodos electrodos, Zoel-eIeclrode(S),
    b) un circuito oscilador compuesto por. b1) un circuito de testado de bioimpedancia que incorpora el array de micro-electrodos,
    30 b2) un filtro paso de banda, situado a la entrada del circuito de testado de biolmpedancia, b3) un comparador, situado a la salida del circuito de testado de
    bioimpedancia. Todos ellos dispuestos en bucle cerrado para la construcción del oscilador 35 que genera las señales de información del estado del cultivo celular. Además, el oscilador propuesto incorpora como elementos de circuito:
    b4) un bloque AGC para el control de los niveles de serial adecuados y
    para la interpretación de las medidas. situado a la salida del filtro paso de banda. b5) un filtro paso de alta para eliminar señales de ruido que puedan invalidar los datos, situado a la entrada del comparador, bS) un multiplexor situado a la salida del AGC, para la selección del canal
    de medida.
    e) un modulo de comunicaciones bluetooth, conectado al micro-controlador MCU,
    d) Y un micro-controlador (MCU) para la monitorización y procesamiento de la información, que incluye sensores de temperatura y humedad para el control del proceso.
  4. 4. Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real y de forma inalambrica de cultivos celulares según la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito transmisor y receptor de señales de radiofrecuencia es compatible con los estándares 802.11, 802.15 o similares.
ES201400682A 2014-08-06 2014-08-06 Sistema de medida de bioimpedancia para la monitorización en tiempo real e inalámbrica de cultivos celulares basado en un test de oscilación utilizando circuitos integrados Active ES2562810B1 (es)

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