WO2017109252A1 - Modelo sintético de tejidos biológicos para la evaluación de la transmisión inalámbrica de ondas electromagnéticas - Google Patents

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Narcís CARDONA MARCET
Sergio CASTELLÓ PALACIOS
Alejandro FORNÉS LEAL
Concepción GARCÍA PARDO
Ana VALLÉS LLUCH
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Universidad Politecnica de Valencia
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Universidad Politecnica de Valencia
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A61B5/0026Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network characterised by the transmission medium
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08Measuring electromagnetic field characteristics
    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30Anatomical models

Definitions

  • the present invention relates to synthetic models of tissue and biological organs composed mainly of sodium chloride and acetonitrile in solution or embedded in a polymer matrix and its use to test the possible effects of electromagnetic waves in living beings, particularly in the range of frequencies from 0.5 to 18 GHz. STATE OF THE TECHNIQUE
  • telecommunications devices either as oral administration capsules or as implantable medical sensors or monitoring systems, of short or long life, to record biological information from inside the organism and be able to transmit it to the outside, in order to make a clinical diagnosis or adjust the medical treatment before a chronic pathology with greater precision.
  • said devices communicate wirelessly by sending electromagnetic waves through the body, which behaves as a means of transmission.
  • phantom or phantom in Spanish a synthetic model (called phantom or phantom in Spanish) has been developed based on mixtures of different components whose concentrations are adjusted to simulate different tissues humans and organs, and that partly avoids having to resort to those of in vivo trials.
  • the phantom consists of a liquid mixture, which can be contained in the container with the shape and dimensions of interest, for example those of the organ that mimics, or it can be contained a conformable gel with the shape and dimensions of interest, capable of housing liquids or mixtures thereof in the polymeric lattice.
  • JP20121 10563A describes a phantom for evaluation of the influence of electromagnetic wave discharge on an implanted medical device.
  • the liquid used has a dielectric constant similar to that of the human body and is used to fill the phantom to a higher position than the medical device.
  • JP2006251012A refers to a phantom equivalent to a living body, used to investigate the influence of electromagnetic waves of domestic electronic devices, such as mobiles, television, etc., on the human body.
  • the phantom comprises a specific weight of electrolytes and water absorbing polymers. The advantage of phantom stability in wide wave frequency ranges is mentioned.
  • JPH0546074A describes a biological liquid for the electrical simulation of the body comprising an electrolytic solution and a polar organic compound hermetically sealed in a container with specific electromagnetic transmittance (at least 0.9).
  • the organic compound preferably comprises a monovalent or polyhydric alcohol. The liquid allows the dielectric constant to be maintained over a wide range, accurately simulating the characteristics of the human body.
  • the inventors have developed a synthetic model of biological tissues or organs based on an aqueous solution of NaCl, acetonitrile and a solvent whose concentrations are adjusted to simulate different human tissues and organs, in terms of their electromagnetic properties, relative permittivity and conductivity dielectric and conductivity.
  • This model offers several advantages: it would partly avoid having to resort to animal or human experimentation to test Wireless devices that are expected to be used as implantable sensors or monitoring systems, experiments would be better controlled and the dependence of the signal with the individual under study would be avoided.
  • This model would be applicable in the ex vivo evaluation (without using animal or human models) of the propagation of electromagnetic waves from developed or developing devices or systems, both for the communication towards the outside of the body from the inside, and from external use, in the UWB (ultra-wide band) frequency band comprising 0.5 to 18 GHz.
  • UWB ultra-wide band
  • the present invention relates to a synthetic model of biological tissues formed by a solution comprising:
  • a salt that is selected from sodium chloride, potassium chloride or sodium bromide in a proportion of 0 to 5% by weight with respect to the total,
  • At least one polar solvent in a proportion between 30 to 90%.
  • any salt that dissociates into ions can be used when dissolved in a polar solvent, although preferably said salt is sodium chloride.
  • the synthetic model of the invention is formed by a liquid mixture comprising:
  • sodium chloride, potassium chloride or sodium bromide in a proportion of 0 to 5% by weight with respect to the total
  • said solutions that form the model may be contained in a polymeric gel of natural or synthetic origin.
  • the polymers used can be of the family of acrylates, acrylamides, hydroxyacrylates, alginate, chitosan, hyaluronic acid or other non-degradable to avoid deterioration over time. These materials are obtained by polymerization conventional radical, from the monomer or monomers corresponding to the polymer in question, in the presence of an initiating reagent of said polymerization reaction (benzoyl peroxide, or benzoin, for example) and a crosslinker (ethylene glycol dimethacrylate, for example), in the suitable mold for the tissue or organ to simulate.
  • an initiating reagent of said polymerization reaction such asbenzoyl peroxide, or benzoin, for example
  • a crosslinker ethylene glycol dimethacrylate, for example
  • the polar solvent is selected from water, ethanol or acetone.
  • the model comprises a biocidal agent that is incorporated into the acetonitrile mixture or to the polymer gel in which said mixture is embedded, in order to prolong the life of the model avoiding bacterial proliferation.
  • biocides can be of biological or chemical origin.
  • the biocidal agent is sodium azide.
  • Another aspect of the invention relates to the use of the synthetic model as described above for the simulation of the behavior of biological tissues in the frequency band of 0.5 to 18 GHz.
  • Another aspect of the invention relates to the method of obtaining the synthetic model described above comprising the following steps:
  • this process comprises adding a biocide to the liquid mixture at the time of its preparation.
  • the solutions are prepared from the concentrations established in the formulation, by weighing. That is, with the mass of solution to be prepared and the mass concentrations of each component, the mass of each component to be used is calculated first. Each quantity is then weighed on a precision balance and incorporated into a glass jar that is then closed and kept under stirring, using a magnetic stirrer, for one hour to ensure the correct mixing of all components.
  • the method of obtaining the synthetic model comprises the following steps:
  • polymer networks are prepared first. This is done using the polymer monomer in question, a polymerization reaction initiator and a crosslinking agent (to prevent subsequent dissolution of the polymer). They are mixed in the established proportions, and after stirring for one hour the mixture is arranged in a mold with the shape of the organ or tissue that we are interested in recreating. The polymerization reaction is carried out and then traces of residual monomer are removed by washing in ethanol or ethanol / boiling water in several steps. Finally, the polymer is dried using a vacuum desiccator to ensure the removal of the washing solvent. Then, to obtain the phantom, the xerogel would be submerged for swelling until equilibrium in the liquid mixture with the established formulation, until reaching the swelling equilibrium, that is, until sufficient time passes so that no more liquid is absorbed.
  • FIG. 1 It shows the relative permittivity of 0.5 to 18 GHz of the muscle phantom compared to Gabriel's model and with a 1 M solution of sucrose.
  • Real part dielectric constant (left), imaginary part: loss factor (right).
  • FIG. 2 It shows the relative permittivity of 0.5 to 18 GHz of the heart phantom compared to Gabriel's model.
  • Real part dielectric constant (left), maginary part: loss factor (right).
  • FIG. 3 It shows the relative permittivity of 0.5 to 18 GHz of the phantom of the pancreas compared to Gabriel's model.
  • Real part dielectric constant (left), imaginary part: loss factor (right).
  • FIG. 4. Shows the relative permittivity in the UWB band of the colon phantom compared to Gabriel's model.
  • Real part dielectric constant (left), imaginary part: loss factor (right).
  • FIG. 5 Shows the relative permittivity of 0.5 to 18 GHz of the liver phantom compared to Gabriel's model.
  • Real part dielectric constant (left), imaginary part: loss factor (right).
  • FIG. 6 Shows the relative permittivity of 0.5 to 18 GHz of the cartilage phantom compared to Gabriel's model.
  • FIG. 7 Shows the relative permittivity in the UWB band of the liver gel phantom compared to Gabriel's model.
  • Real part dielectric constant (left), imaginary part: loss factor (right).
  • FIG. 8 Shows the relative permittivity in the UWB band of the heart gel phantom compared to Gabriel's model.
  • Real part dielectric constant (left), imaginary part: loss factor (right).
  • FIG 1 the graphs corresponding to the muscle phantom are shown, which is the tissue considered as most important from the point of view of imitating, since it represents a very voluminous part of the body and is where more sensors will probably be implanted in a future.
  • the composition of this phantom is 54.98% wt acetonitrile (Scharlab), 1.07% wt NaCl (99% purity; Panreac) in deionized water; The mixture was prepared as described above. The spectrum was obtained using an open ended coaxial probe. He has been represented alongside Gabriel's model [C. Gabriel, "Compilation of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies" Environ. Heal., No. June, p. 21, 1996.
  • Heart phantom another tissue with a high water content and properties similar to those of muscle, was prepared with 49.94% wt acetonitrile, 1.58% wt NaCI in deionized water.
  • Figure 2 shows the curves of the dielectric constant and the phantom loss factor, again compared to the heart muscle spectra according to Gabriel, and in the frequency range between 0.5 and 18 GHz.
  • pancreas phantom was prepared as an aqueous solution of 44.49% wt acetonitrile and 1.09% wt NaCI.
  • the phantom and tissue spectra according to Gabriel are shown in Figure 3, again between 0.5 and 18 GHz.
  • the colon phantom was obtained, on the one hand, with a mixture of 52.29% wt acetonitrile and 1.42% wt NaCI in deionized water, or even better, with a mixture 48.5% wt acetonitrile, 1, 165% wt NaCI and 2.5% wt ethanol (Scharlab) in deionized water. Both spectra are shown in Figure 4 along with that of the colon according to Gabriel. With ethanol, the phantom curve is more similar to that of the real tissue without significantly affecting the dielectric constant values or the loss factor.
  • Acetonitrile and ethanol reduce the dielectric constant of water at all frequencies, although ethanol does so in a greater way. While reducing the value of the real part, acetonitrile reduces the slope and ethanol increases it, so in this sense they have opposite behaviors.
  • the NaCI lowers the curves without modifying the slope, although its influence is rather centered on the imaginary part. In the imaginary part they also have different behaviors. While acetonitrile lowers water losses at all frequencies, ethanol increases them and their incorporation at high rates can cause maximum losses to occur within the UWB range.
  • the NaCI increases the loss factor only at the first frequencies studied, converging at one point to the highest, in which the salt does not exert any influence. The only way to regulate losses at high frequencies is, therefore, by varying the proportion of acetonitrile.
  • liver phantom was obtained with a mixture of 51% wt acetonitrile, 0.95% wt NaCI and 17% wt ethanol in deionized water. Its spectrum is shown in Figure 5 along with that of liver according to Gabriel, between 0.5 and 18 GHz.
  • cartilage phantom was obtained with a mixture of 41% wt acetonitrile, 1% wt NaCI and 30% wt ethanol in deionized water. Its spectrum is shown in Figure 6 along with that of cartilage according to Gabriel, between 0.5 and 18 GHz.
  • the liver can also be mimicked with a solid phantom (or phantom gel), in this example using polyacrylamide (PAM).
  • PAM polyacrylamide
  • cross-linked PAM was prepared at 0.125% wt.
  • the acrylamide monomer (Scharlau), ⁇ , ⁇ '-methylenebisacrylamide (NMBA) (Sigma-Aldrich) was mixed in an ISO glass flask as a crosslinking agent in order to obtain a polymeric network, and ammonium persulfate (PSA ) (Avocado) as the initiator of the polymerization reaction.
  • PSA ammonium persulfate
  • PSA breaks homolytically in the presence of UV light and forms free radicals that attack the double bond between acrylamide carbons.
  • This mixture was kept under stirring, on a magnetic stirrer, in a closed bottle for 1 h.
  • the polymerization was carried out in this case in a transparent flat glass mold of 2 mm internal thickness, with a hole through which the reaction mixture was introduced.
  • the hole was covered and polymerization was carried out in an ultraviolet oven for 24 hours, followed by post-polymerization in a forced convection oven at 90 ° C for another 24 hours.
  • the materials were washed in boiling ethanol for 2 days, changing the ethanol every 8 h. In this way the unpolymerized residues were removed. Finally, they were punched with a diameter of 12 mm.
  • the glass transition temperature of the MAP is 165 ° C, this means that at room temperature and in the xerogel state it will behave like glass. For this reason, and because the change to vitreous state is very abrupt and would probably break the material, the PAM gels did not dry out.
  • the materials were swollen to equilibrium in a solution of 35% wt acetonitrile and 0.75% wt NaCl, which was renewed several times to ensure the removal of ethanol.
  • Figure 7 shows the dielectric constant and the loss factor. Both the real and the imaginary part of the phantom follow the trend of Gabriel's curves, with a minimum deviation in both parts.
  • Figure 8 shows the graphs of the solid phantom corresponding to the heart, prepared again from PAM crosslinked 0.125% wt and swollen in an aqueous solution with 19.5% wt of acetonitrile and 1.25% wt of NaCI.
  • the values are very similar to those of Gabriel in both parts of the relative permittivity, being only relevant the deviation that occurs in the dielectric constant at high frequencies, although in no case is it greater than the unit.

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Abstract

Modelo sintético de tejidos biológicos para la evaluación de la transmisión inalámbrica de ondas electromagnéticas La presente invención se refiere a modelos sintéticos o phantoms de tejido y órganos biológicos compuesto principalmente por cloruro sódico y acetonitrilo en disolución o embebidos en una matriz polimérica y a su uso para testar los posibles efectos de las ondas electromagnéticas en los seres vivos, particularmente en el rango de frecuencias de 0,5a 18GHz.

Description

Modelo sintético de tejidos biológicos para la evaluación de la transmisión inalámbrica de ondas electromagnéticas
La presente invención se refiere a modelos sintéticos de tejido y órganos biológicos compuesto principalmente por cloruro sódico y acetonitrilo en disolución o embebidos en una matriz polimérica y a su uso para testar los posibles efectos de las ondas electromagnéticas en los seres vivos, particularmente en el rango de frecuencias de 0,5 a 18 GHz. ESTADO DE LA TÉCNICA
Existe un interés creciente en emplear dispositivos de telecomunicaciones, bien sea como cápsulas de administración oral o como sensores o sistemas de monitorización médicos implantables, de corta o larga vida, para registrar información biológica del interior del organismo y poderla transmitir al exterior, con el fin de realizar un diagnóstico clínico o ajusfar el tratamiento médico ante una patología crónica con mayor precisión. Para ello, dichos dispositivos se comunican inalámbricamente enviando ondas electromagnéticas a través del cuerpo, que se comporta como medio de transmisión. Para poder desarrollar y testear dispositivos de este tipo antes de su comercialización, se hace necesaria, llegado cierto punto, la experimentación animal y en humanos.
Para evitar recurrir a la experimentación animal o humana (lo que se suele denominar ensayos in vivo), se ha desarrollado un modelo sintético (llamado phantom o fantoma en castellano) que se basan en mezclas de distintos componentes cuyas concentraciones se ajustan para simular distintos tejidos humanos y órganos, y que evita en parte tener que recurrir a los de ensayos in vivo.
El phantom consiste en una mezcla líquida, que puede estar contenida en el recipiente con las forma y dimensiones que interese, por ejemplo las del órgano que imita, o bien puede estar contenida un gel conformable con la forma y dimensiones de interés, capaz de albergar líquidos o mezclas de los mismos en el retículo polimérico.
El documento JP20121 10563A describe un phantom para evaluación de la influencia de la descarga de ondas electromagnéticas en un dispositivo médico implantado. El líquido empleado tiene una constante dieléctrica similar a la del cuerpo humano y se utiliza para rellenar el phantom hasta una posición más elevada que el dispositivo médico.
El documento JP2006251012A se refiere a un phantom equivalente a un cuerpo vivo, utilizado para investigar la influencia de las ondas electromagnéticas de dispositivos electrónicos domésticos, como móviles, televisión, etc., sobre el cuerpo humano. El phantom comprende un peso específico de electrolitos y polímeros absorbedores de agua. Se menciona como ventaja la estabilidad del phantom en rangos de frecuencia de onda amplios.
El documento KR20000015490A divulga un phantom humano y una célula de phantom humano de cerebro, cráneo, y tejido muscular, para evaluar el efecto electromagnético. El documento JPH0546074A describe un líquido biológico para la simulación eléctrica del cuerpo que comprende una solución electrolítica y un compuesto orgánico polar cerrados herméticamente en un recipiente con transmitancia electromagnética específica (al menos 0,9). El compuesto orgánico comprende preferiblemente un alcohol monovalente o polihídrico. El líquido permite mantener la constante dieléctrica a través de un intervalo amplio, simulando de forma precisa las características del cuerpo humano.
Aunque se han desarrollado phantoms para órganos como músculo, cerebro, piel o tejido adiposo, no se han conseguido para hígado, corazón páncreas, colon o cartílago. Además, teniendo en cuenta la amplitud de frecuencias en la radiación electromagnética de los distintos dispositivos que nos rodean, es necesario disponer de phantoms adecuados para determinar las repercusiones de ciertos rangos de frecuencias en tejidos biológicos. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Los inventores han desarrollado un modelo sintético de tejidos biológicos u órganos basado en una disolución acuosa de NaCI, acetonitrilo y un disolvente cuyas concentraciones se ajustan para simular distintos tejidos humanos y órganos, en lo que se refiere a sus propiedades electromagnéticas, permitividad relativa y conductividad dieléctrica y conductividad. Este modelo ofrece varias ventajas: evitaría en parte tener que recurrir a la experimentación animal o humana para testear dispositivos inalámbricos que se prevea emplear como sensores o sistemas de monitorización implantables, se controlaría mejor los experimentos y se evitaría la dependencia de la señal con el individuo bajo estudio. Este modelo sería de aplicación en la evaluación ex vivo (sin hacer uso de modelos animales o humanos) de la propagación de ondas electromagnéticas de dispositivos o sistemas desarrollados o en desarrollo, tanto para la comunicación hacia el exterior del cuerpo desde el interior, como de uso externo, en la banda de frecuencias UWB (ultra- wide band) que comprende de 0,5 a 18 GHz.
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un modelo sintético de tejidos biológicos formado por una disolución que comprende:
una sal que se selecciona de entre cloruro sódico, cloruro potásico o bromuro sódico en una proporción del 0 al 5% en peso respecto al total,
- acetonitrilo en una proporción de 10 a 70% en peso respecto al total,
al menos un disolvente polar en una proporción de entre 30 a 90%.
Las proporciones de cada uno de los componentes se calculan y se añaden de forma que la suma de éstos alcance el 100%.
En el modelo sintético de la presente invención puede usarse cualquier sal que se disocie en iones al disolverse en un disolvente polar, aunque preferiblemente dicha sal es cloruro sódico. En una realización preferida, el modelo sintético de la invención está formado por una mezcla líquida que comprende:
cloruro sódico, cloruro potásico o bromuro sódico, en una proporción del 0 al 5% en peso respecto al total,
acetonitrilo en una proporción de 10 a 60% en peso respecto al total,
- al menos un disolvente polar, en una proporción de entre 40 a 90%.
En una realización preferida, las mencionadas disoluciones que forman el modelo pueden estar contenidas en un gel polimérico de origen natural o sintético. Los polímeros empleados pueden ser de la familia de los acrilatos, acrilamidas, hidroxiacrilatos, alginato, quitosano, ácido hialurónico u otros no degradables para evitar su deterioro con el tiempo. Estos materiales se obtienen por polimerización radicalaria convencional, a partir del monómero o monómeros correspondientes al polímero en cuestión, en presencia de un reactivo iniciador de dicha reacción de polimerización (peróxido de benzoilo, o benzoína, por ejemplo) y un reticulador (etilenglicol dimetacrilato, por ejemplo), en el molde adecuado para el tejido u órgano a simular. También se podría emplear otros geles pocos reticulados con alta afinidad por el agua, usados convencionalmente como phantoms, como la gelatina o agar, para embeberlos de la mezcla líquida.
En otra realización preferida, el disolvente polar se selecciona de entre agua, etanol o acetona.
En otra realización preferida, el modelo comprende un agente biocida que se incorpora a la mezcla de acetonitrilo o al gel polimérico en el que se embebe dicha mezcla, con el fin de prolongar la vida del modelo evitando la proliferación bacteriana. Estos biocidas pueden ser de origen biológico o químico. En una realización más preferida, el agente biocida es la azida de sodio.
Otro aspecto de la invención se refiere al uso del modelo sintético según se ha descrito anteriormente para la simulación del comportamiento de tejidos biológicos en la banda de frecuencias de 0,5 a 18 GHz.
El tratamiento matemático realizado a los datos obtenidos con la sonda coaxial con una batería exhaustiva de disoluciones en las que se ha variado sistemáticamente la concentración de cada uno de sus componentes por separado, permite obtener la formulación óptima para preparar phantoms 'a la carta', con la composición química óptima para simular el tejido u órgano que sea de interés: músculo, hígado, u otros.
La hipótesis de que con estos sistemas se puede obtener análogos de tejidos u órganos humanos desde el punto de vista electromagnético se fundamenta, por un lado, (a) en los resultados obtenidos empleando una sonda coaxial de comunicaciones, que atestiguan que el espectro de permitividad relativa real e imaginaria de las mezclas líquidas preparadas se ajusta al descrito en la literatura para diversos tejidos humanos (músculo, corazón, páncreas, colon, hígado, cartílago) en el rango de frecuencias entre 0,5 y 18 GHz, y por otro lado que (b) es posible obtener los geles con la forma y dimensiones de interés mediante su polimerización en el molde apropiado, y (c) es posible incorporar las mezclas líquidas a estas redes poliméricas capaces de hinchar en presencia de ellas.
Otro aspecto de la invención se refiere al procedimiento de obtención del modelo sintético descrito anteriormente que comprende las siguientes etapas:
a) preparación de la mezcla líquida por adición de los componentes según se han descrito anteriormente y
b) mezclado y agitación de la disolución preparada en (a), en frasco cerrado. En una realización preferida, este procedimiento comprende la adición de un biocida a la mezcla líquida en el momento de su preparación.
Las disoluciones (mezclas líquidas) se preparan a partir de las concentraciones establecidas en la formulación, por pesada. Es decir, con la masa de disolución que se pretende preparar y las concentraciones másicas de cada componente, se calcula en primer lugar la masa de cada componente a emplear. Luego se pesa cada cantidad en una balanza de precisión y se va incorporando a un frasco de vidrio que luego se cierra y se mantiene en agitación, empleando un agitador magnético, durante una hora para asegurar la correcta mezcla de todos los componentes.
En una realización preferida, cuando el modelo comprende el gel polimérico en el que luego se incorpora la solución que contiene acetonitrilo, el procedimiento de obtención del modelo sintético comprende las siguientes etapas:
a) preparación de una mezcla reactiva que comprende al menos un monómero formador del polímero final, un iniciador y un agente entrecruzante, y posterior agitación de esta mezcla;
b) polimerización de la mezcla reactiva en un molde;
c) preparación de la mezcla líquida por adición de los componentes según se han descrito anteriormente, y posterior mezclado y agitación de dicha mezcla, e
d) inmersión del producto obtenido en (b) una vez desmoldado en la mezcla líquida obtenida en (c) para su hinchado hasta equilibrio (cuando ya no es capaz de absorber más líquido).
En el caso de los geles, en primer lugar se preparan las redes poliméricas. Esto se hace empleando el monómero del polímero en cuestión, un iniciador de la reacción de polimerización y un agente entrecruzante (para evitar la posterior disolución del polímero). Se mezclan en las proporciones establecidas, y tras agitar una hora se dispone la mezcla en un molde con la forma del órgano o tejido que nos interese recrear. Se lleva a cabo la reacción de polimerización y luego se eliminan las trazas de monómero residual por lavado en etanol o etanol/agua hirviendo en varios pasos. Finalmente se seca el polímero empleando un desecador de vacío para garantizar la eliminación del disolvente de lavado. A continuación, para obtener el phantom, se sumergiría el xerogel para su hinchado hasta equilibrio en la mezcla líquida con la formulación establecida, hasta llegar al equilibrio de hinchado, es decir, hasta que pase suficiente tiempo como para que no se absorba más líquido.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS FIG. 1. Muestra la permitividad relativa de 0,5 a 18 GHz del phantom del músculo comparado con el modelo de Gabriel y con una disolución 1 M de sacarosa. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha).
FIG. 2. Muestra la permitividad relativa de 0,5 a 18 GHz del phantom del corazón comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte maginaria: factor de pérdidas (derecha).
FIG. 3. Muestra la permitividad relativa de 0,5 a 18 GHz del phantom del páncreas comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha).
FIG. 4. Muestra la permitividad relativa en la banda UWB del phantom del colon comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha). FIG. 5: Muestra la permitividad relativa de 0,5 a 18 GHz del phantom del hígado comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha). FIG. 6: Muestra la permitividad relativa de 0,5 a 18 GHz del phantom del cartílago comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha).
FIG. 7: Muestra la permitividad relativa en la banda UWB del phantom gel del hígado comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha).
FIG. 8: Muestra la permitividad relativa en la banda UWB del phantom gel del corazón comparado con el modelo de Gabriel. Parte real: constante dieléctrica (izquierda), parte imaginaria: factor de pérdidas (derecha).
EJEMPLOS
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invención.
En primer lugar se muestran como ejemplo algunos de los phantoms líquidos sintetizados: EJEMPL0 1
En la Figura 1 , se muestran las gráficas correspondientes al phantom del músculo, que es el tejido considerado como más importante desde el punto de vista de conseguir imitar, ya que representa una parte muy voluminosa del cuerpo y es donde probablemente se implantarán más sensores en un futuro. La composición de este phantom es 54,98%wt acetonitrilo (Scharlab), 1 ,07%wt NaCI (99% pureza; Panreac) en agua desionizada; la mezcla se preparó como se ha descrito más arriba. El espectro se obtuvo empleando una sonda coaxial terminada en abierto. Se ha representado junto al modelo de Gabriel [C. Gabriel, "Compilation of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies" Environ. Heal., no. June, p. 21 , 1996. S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, "The dielectric properties of biológica! tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz" Phys. Med. Biol., vol. 41 , pp. 2251-2269, 1996.], en este caso en el rango entre 0,5 y 18 GHz, para apreciar el nivel de aproximación y junto a una disolución 1 M de sacarosa, que es la solución adoptada hasta el momento en la mayoría de publicaciones para imitar el músculo. La aproximación que se consigue con el phantom propuesto es casi perfecta, mucho mejor que la obtenida con una disolución de sacarosa.
EJEMPLO 2
El phantom de corazón, otro tejido con alto contenido en agua y propiedades similares a las del músculo, se preparó con 49,94%wt acetonitrilo, 1 ,58%wt NaCI en agua desionizada. En la Figura 2 se muestran las curvas de la constante dieléctrica y del factor de pérdidas del phantom, de nuevo comparado con los espectros del músculo cardiaco según Gabriel, y en el rango de frecuencias entre 0,5 y 18 GHz.
En este caso, se obtuvo una pendiente más pronunciada que el músculo en la parte real, pero la máxima desviación producida es de una unidad en la parte real en las frecuencias inicial y final medidas, siendo el factor de pérdidas idéntico.
EJEMPLO 3
El phantom de páncreas se preparó como una disolución acuosa de 44,49%wt acetonitrilo y 1 ,09%wt NaCI. Los espectros del phantom y del tejido según Gabriel se muestran en la Figura 3, de nuevo entre 0,5 y 18 GHz.
La aproximación del modelo sintético al comportamiento real de los tejidos es elevada, ya que la parte real sigue la misma tendencia en la caída y solo hay una desviación de alrededor de una unidad, que está dentro del rango de la variación producida por cambios de temperatura, así que no es significativa. El factor de pérdidas tiene una curva prácticamente idéntica al modelo de Gabriel, por lo que la aproximación en esta parte es incluso mejor a la de la real. EJEMPLO 4
El phantom de colon se obtuvo, por un lado con una mezcla de 52,29%wt acetonitrilo y 1 ,42%wt NaCI en agua desionizada, o aún mejor, con una mezcla 48,5%wt acetonitrilo, 1 , 165%wt NaCI y 2,5%wt etanol (Scharlab) en agua desionizada. Se muestran en la Figura 4 ambos espectros junto con el de colon según Gabriel. Con el etanol se consigue asemejar más la curva del phantom a la del tejido real sin afectar de manera notable a los valores de la constante dieléctrica ni al factor de pérdidas. A pesar de ser una pequeña cantidad de etanol, la caída que produce en la curva de la parte real es significativa, debido a que su frecuencia de relajación es mucho menor tanto a la del agua como a la del acetonitrilo. Añadiendo cantidades más importantes de etanol se podrían conseguir valores que no son posibles limitando las disoluciones a agua, acetonitrilo y sal.
El acetonitrilo y el etanol reducen la constante dieléctrica del agua a todas las frecuencias, aunque el etanol lo hace de un modo mayor. Al mismo tiempo que reducen el valor de la parte real, el acetonitrilo reduce la pendiente y el etanol la aumenta, así que en este sentido tienen comportamientos opuestos. El NaCI baja las curvas sin modificar la pendiente, aunque su influencia más bien se centra en la parte imaginaria. En la parte imaginaria también tienen comportamientos diferentes. Mientras que el acetonitrilo baja las pérdidas del agua a todas las frecuencias, el etanol las aumenta y su incorporación a altas proporciones puede provocar que el máximo de pérdidas se produzca dentro del rango UWB. El NaCI aumenta el factor de pérdidas únicamente a las primeras frecuencias estudiadas, convergiendo en un punto a las más altas, en las que la sal no ejerce ninguna influencia. El único modo de regular las pérdidas a altas frecuencias es, pues, variando la proporción de acetonitrilo.
EJEMPLO 5
El phantom de hígado se obtuvo con una mezcla de 51 %wt acetonitrilo, 0,95%wt NaCI y 17%wt etanol en agua desionizada. Se muestra en la Figura 5 su espectro junto con el de hígado según Gabriel, entre 0,5 y 18 GHz.
En la parte real no se consiguió la misma pendiente que el modelo de Gabriel, aunque con un nivel de acercamiento muy elevado y una desviación mínima a todas las frecuencias La solución hubiese sido añadir más acetonitrilo, que baja los valores y reduce la pendiente, pero eso habría bajado el factor de pérdidas a altas frecuencias, cosa que no es de interés.
EJEMPLO 6
Entre los tejidos con alto contenido en agua que no se podían modelar usando acetonitrilo, agua y cloruro sódico únicamente, se encontraba también el cartílago, por tener unos valores de constante dieléctrica mucho menores que el agua y con una fuerte pendiente imposible de reproducir con el uso únicamente de acetonitrilo. En este caso fue necesaria una concentración importante de etanol para conseguir dicha pendiente. El phantom de cartílago se obtuvo con una mezcla de 41 %wt acetonitrilo, 1 %wt NaCI y 30%wt etanol en agua desionizada. Se muestra en la Figura 6 su espectro junto con el de cartílago según Gabriel, entre 0,5 y 18 GHz.
En la parte real de la permitividad se presenta una desviación del phantom respecto al tejido real en torno a una unidad, pero respetando la caída que se produce con la frecuencia que es igual en ambas curvas. Esto representa aproximadamente una desviación del 2,5% a 3 GHz y del 3,5% a 8,5 GHz. Como en el caso del hígado, se pierde aproximación intencionadamente en la parte real para reproducir niveles extraordinarios de imitación de la parte imaginaria, donde se ajustan notablemente tanto la tendencia de la curva como los valores a todas las frecuencias.
EJEMPLO 7
El hígado se puede imitar también con un phantom sólido (o phantom gel), en este ejemplo empleando poliacrilamida (PAM). En primer lugar se preparó PAM entrecruzada un 0, 125%wt. Para ello se mezcló en un frasco ISO de vidrio el monómero acrilamida (Scharlau), Ν,Ν'-metilenbisacrilamida (NMBA) (Sigma-Aldrich), como agente entrecruzador con el fin de obtener una red polimérica, y persulfato de amonio (PSA) (Avocado) como iniciador de la reacción de polimerización. El PSA se rompe homolíticamente en presencia de luz UV y forma radicales libres que atacan el doble enlace entre carbonos de la acrilamida. Esta mezcla se mantuvo en agitación, sobre un agitador magnético, en frasco cerrado durante 1 h. La polimerización se llevó a cabo en este caso en un molde plano transparente, de vidrio, de 2 mm de espesor interno, con un orificio por donde se introdujo la mezcla reactiva. Se tapó el orificio y la polimerización se llevó a cabo en horno ultravioleta durante 24h, seguidas de una post-polimerización en horno de convección forzada a 90°C durante otras 24 h. A continuación, y tras desmoldear, se lavaron los materiales en etanol hirviendo durante 2 días, cambiando el etanol cada 8 h. De esta manera se eliminaron los residuos no polimerizados. Finalmente, se troquelaron con diámetro de 12 mm.
La temperatura de transición vitrea de la PAM es de 165 °C, esto quiere decir que a temperatura ambiente y en estado xerogel se comportará como un vidrio. Por este motivo, y porque el cambio a estado vitreo es muy brusco y probablemente quebraría el material, los geles PAM no se secaron. Los materiales se hincharon hasta equilibrio en una disolución de 35%wt acetonitrilo y 0,75%wt NaCI, que se renovó varias veces para asegurar la eliminación del etanol. La Figura 7 muestra la constante dieléctrica y el factor de pérdidas. Tanto la parte real como la imaginaria del phantom siguen la tendencia de las curvas de Gabriel, habiendo una desviación mínima en ambas partes.
EJEMPLO 8
En la Figura 8 se representan los gráficos del phantom sólido correspondiente al corazón, preparado de nuevo a partir de PAM entrecruzado un 0, 125%wt e hinchado en una disolución acuosa con un 19,5%wt de acetonitrilo y 1 ,25%wt de NaCI. Los valores son muy parecidos a los de Gabriel en ambas partes de la permitividad relativa, siendo únicamente relevante la desviación que se produce en la constante dieléctrica a altas frecuencias, aunque en ningún caso es superior a la unidad.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Modelo sintético de tejidos biológicos formado por una disolución que comprende:
una sal inorgánica que se selecciona de entre cloruro sódico, cloruro potásico o bromuro sódico, en una proporción del 0 al 5% en peso respecto al total,
acetonitrilo en una proporción de 10 a 70% en peso respecto al total,
al menos un disolvente polar en una proporción de entre 30 a 90% en peso respecto al total.
Modelo sintético según la reivindicación 1 donde la sal inorgánica es cloruro de sodio.
Modelo sintético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el acetonitrilo está en una proporción de entre 10 a 60%.
Modelo sintético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el disolvente polar se selecciona de entre agua, etanol o acetona.
5. Modelo sintético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un agente biocida.
6. Modelo sintético según la reivindicación anterior donde el agente biocida es la azida de sodio.
7. Modelo sintético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la disolución está contenida en un gel polimérico de origen natural o sintético.
8. Modelo sintético según la reivindicación anterior donde el gel polimérico se selecciona de entre la familia de las acrilamidas, ácido acrílico, hidroxiacrilatos, gelatina, agar-agar, alginato, quitosano o ácido hialurónico.
9. Uso del modelo sintético según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 para la simulación del comportamiento de tejidos biológicos en la banda de frecuencias de 0,5 a 18 GHz.
10. Procedimiento de obtención del modelo sintético según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 que comprende las siguientes etapas: a) preparación de una la mezcla líquida por adición de los componentes según la reivindicación 1 , y
b) mezclado y agitación de la disolución preparadas en (a), en frasco cerrado.
1 1. Procedimiento de obtención del modelo sintético según la reivindicación 10, que además comprende las siguientes etapas:
c) preparación de una mezcla reactiva que comprende al menos un monómero formador del polímero final, un iniciador y un agente entrecruzante, y posterior agitación de esta mezcla;
d) polimerización de la mezcla reactiva en un molde; e
e) inmersión del producto obtenido en (d) tras su desmoldado en la mezcla líquida obtenida en (b) para su hinchado hasta equilibrio.
12. Procedimiento según la reivindicación 10 u 1 1 , que comprende la adición de un biocida a la mezcla líquida en el momento de su preparación.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde el biocida es azida de sodio.
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