Revista >> Martie 2025 [Nr. 271] >> Cercetare & Invatamant superior

Contribuția ICPE-CA la dezvoltarea tehnicilor de bioimpedanță

Dr. ing. Lucian Pislaru-Danescu, ICPE-CA

19 Martie 2025

Tehnicile de bioimpedanță se bazează pe injectarea într-un mediu biologic (corp uman, țesut sau cultură celulară) a unui curent electric alternativ de intensitate foarte mică, constant din punct de vedere al valorii medii de I = 100µA. Acest curent electric produce o cădere de tensiune direct proporțională cu impedanța electrică a țesutului uman. Măsurătorile bioimpedanței se bazează pe faptul că mediile biologice se comportă ca și conductori, dielectrici sau izolatori de curent electric, în funcție de compoziția lor. Există astfel o dependență a valorilor bioimpedanței de frecvență, care poate oferi informații despre fiziologia și patologia țesuturilor și celulelor. Metoda de măsurare a bioimpedanței se bazează pe răspunsul tranzitoriu al interfeței piele - senzor de bioimpedanță la injectarea într-un mediu biologic a unui curent electric alternativ de intensitate foarte mică, prin intermediul electrozilor de injecție de curent.

Aportul ICPE-CA
În ultimii ani, ICPE-CA a depus eforturi constante pentru a dezvolta aparatură medicală complexă, ca rezultat al proiectelor de cercetare. În acest sens, proiectul NUCLEU cu titlul „Sistem complex de măsură a bioimpedanței, ca suport pentru monitorizarea funcţiilor vitale și dezvoltarea tehnicilor de impedanță cardiovasculară de utilitate clinică” are rezultate semnificative.
Prima frecvență de lucru aleasă este de f = 40 kHz, ce permite măsurarea bioimpedanței pielii. Aceasta pentru că liniile de curent se distribuie numai pe suprafața pielii, adâncimea de pătrundere fiind de până la 1 mm. Materialul utilizat la realizarea electrozilor de injecție de curent este o folie de argint de puritate 99,99 %, fig. 1.
Frecvența de f = 40 kHz corespunde unei porțiuni liniare a curbei de variație a impedanței cu frecvența, pentru materialele sensibile dezvoltate în cadrul ICPE-CA, cum sunt nanocompozitele de tipul 10%Ag/polipirol și 20%Ag/polipirol. Aceste materiale nanocompozite sunt biocompatibile și fac obiectul unei cereri de brevet în curs de examinare, A 00526/20.08.2020, depusă la OSIM, cu titlul: „Senzor polimeric de bioimpedanță și procedeu de sinteză a materialului sensibil compozit Ag/polipirol”, titular INCDIE ICPE-CA, București. Ca și materiale sensibile ce sunt utilizate la realizarea electrozilor de detectare a potențialului electric pentru senzorul de bioimpedantă, fig. 2, capabilitatea de a fi biocompatibile este crucială, deoarece intră în contact direct cu sistemele biologice ale pacientului.
Cea de-a doua frecvență de lucru aleasă este de f = 100 Hz și permite măsurarea bioimpedanței pentru diferite organe țintă. De această dată, adâncimea de pătrundere a liniilor de curent este de până la 30 cm, ceea ce face posibilă realizarea măsurătorilor de bioimpedanță pentru organe țintă precum inimă, ficat, pancreas, plămâni, stomac, intestine etc. În cazul realizării echipamentelor pentru investigarea bioimpedanței la joasă frecvență, și anume pentru f = 100 Hz, un curent constant cu o valoare medie de I = 100 µA este injectat în corpul uman cu ajutorul a doi electrozi de injecție de curent fabricați din argint, fig.1, iar semnalul biologic încărcat cu informația despre biopotențialele generate de către organele țintă ale corpul uman este prelevat de la alți doi electrozii, realizați din aur, fig. 3. În acest caz, senzorul de bioimpedanță, este redat în fig. 4.

Dezvoltarea sistemului de măsură a bioimpedanței
Realizarea practică a sistemului complex de măsură a bioimpedanței, ca suport pentru dezvoltarea tehnicilor de impedanță cardiovasculară de utilitate clinică, a necesitat dezvoltarea unui sistem electronic care să preia potențialul electric de la senzorul de bioimpedanță. Acest sistem electronic face obiectul unei cereri de brevet în curs de examinare, A/00287/25.05.2022, depusă la OSIM, cu titlul: „Sistem electronic de condiționare cu utilizare în preluarea semnalelor biologice”, titular INCDIE ICPE-CA. De asemenea, dezvoltarea modulului electronic al generatorului de curent constant I =100 μA în valoare medie a constituit o etapă necesară dezvoltării acestui echipament. În fig. 5 se prezintă sistemul complex de măsură a bioimpedanței, realizare practică.

În decursul experimentelor s-au obținut valorile mediate ale rezistivității bioelectrice pentru diferitele zone ale corpului uman, clasificate în funcție de poziționarea organelor. Aceste valori au fost comparate cu calculele prezentate în alte lucrări de specialitate, cum ar fi Faes, T.J.C, The electric resistivity of human tissues (100 Hz-10 MHz): a meta-analysis of review studies. Physiol. Meas., 1999, 20, 4, R1-10, doi: 10.1088/0967-3334/20/4/201.
Astfel, valorile medii prezentate în studiu erau de 339 Ωcm pentru zona sânilor sau a pieptului (plămâni) și 342 Ωcm pentru zona în care este poziționat ficatul. Valorile rezistivității bioelectrice care au fost obținute prin măsurători efectuate asupra subiecților din INCDIE ICPE-CA au fost în jur de 274 Ωcm pentru piept/plămâni și 278 Ωcm pentru ficat, fig. 6.

Sistemul de măsură a bioimpedanței prezintă o procedură de etalonare/calibrare facilă, prin conectarea unui dispozitiv de etalonare și ajustarea amplificării globale cu ajutorul celor două potențiometre multitură de pe panoul frontal și afișarea valorii de 1000 Ωcm a rezistivității. Dispunerea celor patru electrozi în formă de disc (în varianta prezentată, la o distanță de 6 cm unul față de celălalt, fig. 4) precum și menținerea unei presiuni constante asupra electrozilor minimizează erorile de măsurare, în special pentru cazul frecvențelor joase. De asemenea, echipamentul conține blocuri electronice de filtrare de bandă îngustă de ordinul patru, pentru a minimiza efectul perturbator al semnalelor electromagnetice din mediul înconjurător, determinând astfel preluarea cu acuratețe a semnalului util de la senzorul de bioimpedanță.
Sistemul complex de măsură a bioimpedanței este alimentat de către surselede alimentare stabilizate, izolate și protejate cu aplicații în medicină, fig. 7. Modulul electronic suplimentar de protecție este capabil să întrerupă circuitul de alimentare cu energie electrică.

Avantaje ale modulului dezvoltat de ICPE-CA
Modulul realizează protecția întregului sistem electronic precum și a pacienţilor, prin decuplarea automată de la rețeaua de curent alternativ, dacă tensiunea de alimentare stabilizată monitorizată nu respectă limitele prestabilite. Ca o observație importantă, sistemul electronic de protecție realizat poate fi utilizat pentru protecția oricărui echipament din domeniul medical.
Totodată, o caracteristică specială a acestui echipament de protecție o constituie faptul că decuplarea automată de la rețeaua de curent alternativ se realizează prin intermediul dispozitivelor electronice cu comutație statică, astfel încât să poată fi utilizat inclusiv în medii inflamabile.
Nu în ultimul rând, valorile bioimpedanței obţinute în funcție de frecvență oferă informații despre fiziologia și patologia țesuturilor, celulelor și organelor.
Rezultatele proiectului „Sistem complex de măsură a bioimpedanței, ca suport pentrumonitorizarea funcţiilor vitale și dezvoltarea tehnicilor de impedanță cardiovasculară de utilitate clinică” au toate premisele de a fi implementate pe scară largă în sistemul medical, astfel încât să aducă plusvaloare și soluţii la problemele societăţii în care trăim.