Search

Electrical impedance spectroscopy is a powerful technique which can be used to characterize properties of many materials, including biological tissues. In medical applications, it is typically used as a complementary tool for diagnostic, helping improve the ability of current techniques to distinguish pathological tissue from normal tissue. Commercially available equipment to perform impedance measurements is usually expensive and impractical, lacking the necessary flexibility and compactness to use it as a fast prototype tool for research. The high cost and the difficulty in transporting it make it unsuitable for early-stage investigation in real-world clinical settings. Consequently, researchers at the Electronic and Biomedical Instrumentation Group at the Universitat Politècnica de Catalunya have been working on low-cost alternatives, which try to solve the aforementioned issues. The system described in this work aims to be such an alternative, being based on a low-cost electronic board capable of performing fast signal generation and data acquisition. In particular, its main focus is on fast measurements using multisine signals, with the one employed in this work consisting of 26 frequency components from 1 kHz to 1 MHz. The system has been designed with flexibility in mind, allowing the user to have complete control over the generation and acquisition chains thanks to its highly modular architecture, making it particularly well-suited for research purposes. The objective of this document is to give a thorough overview of the design and implementation of this system, focusing on the main architectural ideas but also covering many of the finer details. Some measurements, performed at a rate of approximately 950 spectrums per second, are briefly discussed at the end, and they serve both as validation of the implemented design and as an outline for future research directions.

The current socio-environmental and health problems that have arisen from the research of the presence of microplastics in the human body expose the need not only to reduce the use of plastics but to eliminate those that are already there. This project, which is developed by the Department of Micro Nano Technology of the UPC and the Superior Council of Scientific Research, tries to provide a solution in the elimination of microplastics in water. The proposed solution consists of a reusable device capable of filtering, detecting and eliminating microplastics. The device, manufactured in the clean room of the UPC, is based on interdigitated aluminum electrodes with a ceramic structure full of air voids deposited on top. In this work, the followed manufacturing process is explained and the impedance response of the device is characterized under the different manufacturing steps and in the detection of microplastics. The results obtained exhibit that the structure is able to trap and sense microplastics. La actual problemática socioambiental y de salubridad que ha surgido a partir del estudio de la presencia de microplásticos en el cuerpo humano, pone en evidencia la necesidad no sólo de reducir el uso de plásticos sino de eliminar los ya existentes. Este proyecto, desarrollado en el departamento de Micro y Nano Tecnología de la UPC junto con el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, intenta dar una solución en la eliminación de microplásticos en el agua. La solución propuesta consiste en un dispositivo reutilizable capaz de filtrar, detectar y eliminar microplásticos. El dispositivo, fabricado en la sala blanca de la UPC, consiste en unos electrodos de aluminio con una estructura cerámica llena de huecos de aire depositada encima. En este trabajo se explica el proceso de fabricación seguido y se realiza la caracterización de la respuesta de impedancia del dispositivo en los distintos pasos de fabricación y en la detección de microplásticos. Los resultados obtenidos indican que la estructura es capaz de atrapar y percibir microplásticos. L'actual problemàtica socioambiental i de salubritat que ha sorgit a partir de l'estudi de la presència de microplàstics al cos humà, posa en evidència la necessitat no només de reduir l'ús de plàstics sinó d'eliminar els que ja hi ha. Aquest projecte, desenvolupat en el departament de Micro i Nano Tecnologia de la UPC juntament amb el Consell Superior d'Investigacions Científiques intenta donar una solució per a l'eliminació de microplàstics en l'aigua. La solució proposada consisteix en un dispositiu reutilitzable capaç de filtrar, detectar i eliminar microplàstics. El dispositiu, fabricat a la sala blanca de la UPC, consisteix en una estructura ceràmica plena de buits d'aire dipositada a sobre d'uns elèctrodes d'alumini. En aquest treball s'explica el procés de fabricació seguit i es realitza la caracterització de la resposta d'impedància del dispositiu en els diversos passos de fabricació i en la detecció de microplàstics. Els resultats obtinguts indiquen que l'estructura és capaç d'atrapar i percebre microplàstics.

The use of bioengineering to improve human wellbeing has increased greatly in recent years and has led to the exploration of new ways of research and development. In this final degree project, we have designed and developed a minimal Electrical Impedance Spectroscopy EIS system which can be used in several biomedical applications. EIS applied to the characterization of human tissues or biological systems is called bioimpedance. In order to do this, we have relied on a System-on-chip already in distribution from the Analog Devices company, the AD5490/5491 and its evaluation board, the EVAL-AD5940BIOZ that will serve us both to check results and compare performances. A custom PCB board has been designed and implemented in order to reduce the complexity of the evaluation board and a software has been developed in order to obtain the results. The approach of this document is based first of all on a small introduction into the world of electrical bioimpedance and its basic foundations. We will then study the main parameters of the evaluation board, focusing on its specific chip for this field of use, and performing some experiments and checks. Finally, the procedure used when making our own PCB board, its design (KICAD 6) and the final software (Python) are explained. The experiments carried out with it and the results obtained with it are also presented. El uso de la bioingeniería para mejorar el bienestar humano ha aumentado mucho en los últimos años y ha llevado a la exploración de nuevas formas de investigación y desarrollo. En este trabajo final de grado hemos diseñado y desarrollado un sistema mínimo de espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) que se puede utilizar en varias aplicaciones biomédicas. El EIS aplicado a la caracterización de tejidos humanos o sistemas biológicos se denomina bioimpedancia. Para ello, hemos confiado en un system-on-chip comercialmente disponible de la empresa Analog Devices, la AD5490/5491 y su placa de evaluación, el EVAL-AD5940BIOZ que nos servirá tanto para comprobar resultados como para comparar prestaciones. Se ha diseñado e implementado una placa PCB personalizada con el fin de reducir la complejidad de la placa de evaluación y se ha desarrollado un software para obtener los resultados. El enfoque de este documento se basa, en primer lugar, en una pequeña introducción al mundo de la bioimpedancia eléctrica y sus fundamentos básicos. A continuación, estudiaremos los principales parámetros de la placa de evaluación, centrándonos en su chip específico para este campo de uso, y realizando algunos experimentos y comprobaciones. Finalmente, se explica el procedimiento utilizado a la hora de hacer nuestra propia placa PCB, su diseño (KICAD 6) y el software final (Python). También se presentan los experimentos realizados y los resultados obtenidos con ella. L'ús de la bioenginyeria per millorar el benestar humà ha augmentat molt en els últims anys i ha portat a l'exploració de noves formes de recerca i desenvolupament. En aquest treball final de grau hem dissenyat i desenvolupat un sistema mínim d'espectroscòpia d'impedància elèctrica (EIS) que es pot utilitzar en diverses aplicacions biomèdiques. L'EIS aplicat a la caracterització de teixits humans o sistemes biològics s'anomena bioimpedància. Per a això, hem confiat en un system-on-chip comercialment disponible de l'empresa Analog Devices, l'AD5490/5491 i la seva placa d'avaluació, l'EVAL-AD5940BIOZ que ens servirà tant per comprovar resultats com per comparar prestacions. S'ha dissenyat i implementat una placa PCB personalitzada per tal de reduir la complexitat de la placa d'avaluació i s'ha desenvolupat un programari per obtenir els resultats. L'enfocament d'aquest document es basa, en primer lloc, en una petita introducció al món de la bioimpedància elèctrica i els seus fonaments bàsics. A continuació, estudiarem els principals paràmetres de la placa d'avaluació, centrant-nos en el seu xip específic per a aquesta camp d'ús, i realitzant alguns experiments i comprovacions. Finalment, s'explica el procediment utilitzat a l'hora de fer la nostra pròpia placa PCB, el seu disseny (KICAD 6) i el programari final (Python). També es presenten els experiments realitzats i els resultats obtinguts amb ella.

El mundo de la bioingeniería está en constante desarrollo, razón principal por la que este proyecto se ha llevado a cabo. En esta tesis, un espectroscopio de impedancia eléctrica de bajo coste (EIS) basado en la placa AD5940 ha sido estudiado, para todas sus funcionalidades. Los sistemas EIS sirven para caracterizar materiales y sistemas biológicos y electroquímicos. El foco principal del documento es explorar todas sus características, empezando desde la placa más profundamente, y más adelante creando una interfaz de usuario que permita a los posibles usuarios de la placa comprobar los resultados obtenidos. Una de las principales cualidades del circuito es que mide la impedancia en el rango definido para las aplicaciones biológicas (10Ω - 10kΩ; 1kHz – 150kHz) con muy poco ruido, tal y como se demuestra al final del documento, donde se muestran los resultados experimentales utilizando la interfaz creada, incluyendo medidas humanas y medidas de objetos biológicos inertes. The bioengineering world is a non-stoppable evolving world, that is the main reason why this project has been carried out. In this thesis, a low-cost electrical impedance spectroscopy (EIS) system based on the AD5940 board was studied checking all its functionalities. EIS can be used to characterize biological and electrochemical materials and systems. Since the beginning, the focus of the paper is to explore all its features, starting from the board itself deeply and then, creating a user interface that allows the potential users to check the results obtained with the board. The main strength of the board is that it measures impedance in the biological applications range (10Ω - 10kΩ; 1kHz – 150kHz) with very low noise, and this is demonstrated at the end of the document, where the experimental results of the board using the user interface are shown, including human measurements and inert biological object measurements. El mon de la bioenginyeria està en constant desenvolupament, aquesta és la principal raó per la qual aquest projecte s’ha dut a terme. A aquesta tesi, un espectroscopi d’impedància elèctrica de baix cost (EIS) basat en la placa AD5940 ha estat estudiat, per tal d’analitzar totes les seves funcionalitats. El sistema EIS serveix per caracteritzar materials i sistemes biològics i electroquímics. L’enfocament del document és explorar totes les seves característiques, començant des de la placa més profundament i més endavant, creant una interfície d’usuari que permet als possibles usuaris de la placa comprovar els resultats obtinguts. Una de les principals qualitats de la placa és que mesura la impedància en el rang definit per les aplicacions biològiques (10Ω - 10kΩ; 1kHz – 150kHz) amb molt poc soroll, tal i com es demostra al final del document, on es mostren els resultats experimentals utilitzant la interfície creada, incloent mesures humanes i mesures d’objectes biològics inerts

In order to obtain successful catheter ablation of ventricular arrhythmias in patients with chronic myocardial infarction is essential the precise identification of the infarct scar. Nowadays, endocardial voltage mapping is used to delineate the healed tissue. However, this technique is not sensitive enough to differentiate distinct degrees of transmural injury in the scar and, moreover, it is influenced by the direction of the activation wavefront. A new technique, mapping local myocardial electrical impedance, which uses an intracavitary catheter inside the left ventricle, could overcome these limitations, but it has just started being investigated now. Trials with pigs are being taken to establish the viability of the technique. Throughout this project different methods and materials have been used including the usage of experimental data and finite elements models, aimed to verify the accuracy of this novel mapping system, to evaluate the influence of different factors on the measurements in order to understand completely the technique and, also, to find the origin of the observed amplitude modulation of the signals that is around of 20%. We have proved that this novel technique is able to identify the longitudinal extent of the scars (mainly transmural and non-transmural scars located in the inner part of the wall) very accurately: the maximum sensitivity of the catheter is at its surroundings and decays by more than four orders of magnitude by moving away 2 cm from the tip. Moreover, the scar is sensed in a very concentrated region without extending its influence towards healthy tissue. We have also demonstrated that the position of the external measuring electrode has no influence on the measurements. Para realizar con éxito ablaciones de arritmias ventriculares en pacientes con infarto de miocardio crónico es esencial una identificación precisa de la cicatriz del infarto. Actualmente, se utiliza el mapeo de voltaje endocardio para delinear el tejido cicatrizado. Sin embargo, esta técnica no es suficientemente sensible a diferentes grados de transmuralidad en la lesión y, además, está influenciada por la dirección del frente de onda de activación. Una nueva técnica, el mapeo local de impedancia eléctrica del miocardio, que utiliza un catéter intracavitario dentro del ventrículo izquierdo, podría superar estas limitaciones, pero se está justo empezando a investigar. Ahora mismo, pruebas experimentales con cerdos se están llevando a cabo para establecer la validez de la técnica. En este proyecto se han utilizado diferentes métodos y materiales, incluyendo el uso de datos experimentales y modelos de elementos finitos, dirigidos a la verificación de la precisión de este nuevo sistema de mapeo, la evaluación de la influencia de diferentes factores en las medidas para entender completamente la técnica y, también, a la búsqueda del origen de la amplitud observada en la modulación de las señales, que es de un 20%. Se ha probado que la nueva técnica es capaz de identificar la extensión longitudinal de la cicatriz (principalmente en cicatrices transmurales y no-transmurales situadas en la parte interna de la pared del corazón) de manera muy precisa: la máxima sensibilidad del catéter se encuentra en sus alrededores y decae en más de cuatro órdenes de magnitud en alejarnos 2 cm de su punta. Además, la cicatriz se detecta en una región muy concentrada sin extender su influencia hacia el tejido sano. Se ha demostrado también que la posición del electrodo externo de medida no influye en las medidas. Per tal de realitzar amb èxit ablacions d'arrítmies ventriculars en pacients amb infart de miocardi crònic és essencial una identificació precisa de la cicatriu de l'infart. Actualment, s'utilitza el mapatge de voltatge endocardi per a delinear el teixit cicatritzat. Tot i això, aquesta tècnica no és suficientment sensible a diferents graus de transmuralitat en la lesió i , a més, està influenciada per la direcció del front d'ona d'activació. Una nova tècnica, el mapatge local d'impedància elèctrica del miocardi, que utilitza un catèter intracavitari dins del ventricle esquerre, podria superar aquestes limitacions, però s'està just començant a investigar. Ara mateix, proves experimentals amb porcs s'estan duent a terme per establir la validesa de la tècnica. En aquest projecte s'han utilitzat diferents mètodes i materials, incloent l'ús de dades experimentals i models d'elements finits, adreçats a la verificació de la precisió d'aquest nou sistema de mapatge, a l'avaluació de la influència de diferents factors en les mesures per tal d'entendre completament la tècnica i, també, a la cerca de l'origen de la amplitud observada en la modulació dels senyals, que és d'un 20%. S'ha provat que la nova tècnica es capaç d'identificar l'extensió longitudinal de la cicatriu (principalment en cicatrius transmurals i no-transmurals situades a la part interna de la paret del cor) de forma molt precisa: la màxima sensibilitat del catèter és als seus voltants i decau en més de quatre ordres de magnitud en allunyar-nos 2 cm de la seva punta. A més, la cicatriu es detecta en una regió molt concentrada sense estendre la seva influència cap al teixit sa. S'ha demostrat també que la posició de l'elèctrode extern de mesura no influeix en les mesures.

Medir y modelar medidas realizadas mediante espectroscopía de impedancias a dispositivos semiconductores. A partir de los resultados obtenidos, extraer los parámetros y las figuras de mérito que modelan su comportamiento y realizar mejoras de diseño. Este proyecto consiste en el análisis y diseño de células solares de altas prestaciones de diferentes estructuras y características físicas, y otros dispositivos como un microcondensador de gran capacidad (supercondensador), mediante espectroscopia de impedancias. Primero se han realizado mediciones mediante espectroscopia de impedancias que permite inyectar una pequeña señal eléctrica en un barrido frecuencial a diferentes polarizaciones y medir la respuesta del dispositivo. Esto permite obtener los diagramas de Bode y de Nyquist de la impedancia. Utilizando un modelo circuital se han ajustado los resultados, obteniendo los parámetros y factores de mérito que caracterizan a dichos dispositivos. Finalmente, del análisis de estos valores se pueden encontrar condiciones de diseño que permiten indicar como mejorar su funcionamiento. Aquest projecte consisteix en l’anàlisis i disseny de cèl·lules solars d’altes prestacions de diferents estructures i característiques físiques, i altres dispositius com un microcondensador de gran capacitat (supercondensador), mitjançant l’espectroscopia d’impedàncies. Primer s’han realitzat medicions mitjançant espectroscopia d’impedàncies que permet injectar una petita senyal elèctica en un escombrat freqüencial a diferents polaritzacions I mesurar la resposta del dispositiu. Això permet obtenir diagrames de Bode I de Nyquist de la impedància. Utilitzant un model circuital s’han ajustat els resultats, obtenint els paràmetres i factors de mèrit que caracteritzen aquests dispositius. Finalment, de l’anàlisi dels valors obtinguts es poden trobar condicions de disseny que permeten indicar com millorar el seu funcionament. This project is based on the analysis and design of high performance solar cells of different structures and physical characteristics, and other devices such as big capacity capacitor (supercapacitor), using the Impedance Spectroscopy. Firstly, it has been done measurements using Impedance spectroscopy that allows to inject to the device a little power electrical signal in a frequency sweep at different voltage offsets and measure the response of the device. This allows to obtain Bode and Nyquist diagrams of the impedance. Using a circuit model the results has been adjusted, obtaining the parameters and merit factors that characterize the behavior of the studied devices. Finally, after the analysis of the values it is possible to obtain conditions for the design that allows to improve the performance of the devices.

Due to the knowledge of the cellular structure of biological tissues and the ability to extract a parametric passive electrical model of tissue based on a two terminals element with a given spectral relaxation of impedance (Cole-Cole model), bio-impedance spectroscopy allows us to relate these parameters to tissue physical features, such as cell density or the dispersion of the size and shape of cells among others. These physical aspects are variable with time in tissues that are subject to mechanical changes, which sometimes can be relatively fast, as it is the case of the in-vivo heart tissue. As a result, it is also of interest to make the measurements quickly and continuously during a given time interval, aiming to see its evolution. Research teams of Sant Pau Hospital together with the Instrumentation and Bioengineering research team of the Electronics Engineering Department, are studying the effectiveness of the bio-impedance measurement in the diagnosis and localization of lung tumors and myocardial infarctions, common pathologies that present a decrease in quality of life, even death, in patients who suffer them, justifying the clinical need for a device capable of improving their diagnosis. According to preliminary research results, this technique would be useful as a complementary tool, improving the ability of distinguishing pathological tissues of current techniques. Commercially available instruments for measurement of impedance spectroscopy are usually expensive, bulky and incomplete, making it difficult and more expensive the use of these tools for this purpose, as well as progress in the procedure of investigation and validation of such practice as a method of clinical diagnosis. Therefore, the objective of this project is to design and prototype a standalone and low cost measuring instrument capable of measuring bio-impedance satisfying the required characteristics. Such a system will be prototyped using an open-hardware development tool recently appeared on the market called Red Pitaya and the suite of computing and graphical presentation Matlab as major technological basis, taking advantage of all materials and background about the field in question acquired by the results of the previous work of the research group. The final result of the project has been to make a measurement of impedance of in-vivo cardiac tissue in a pig model with induced myocardial infarction with the designed prototype, accessing the myocardial tissue through a catheter. Impedance spectra have been acquired with the catheter floating inside the cavity, in contact with healthy tissue and also with scar tissue, being able of distinguishing between the three tissue states and thus validating the ability to support research of the developed prototype. Debido al conocimiento de la estructura celular de los tejidos biológicos y la capacidad de extraer un modelo eléctrico paramétrico del mismo basado en elemento de dos terminales con una cierta relajación espectral de impedancia (modelo de Cole-Cole), la espectroscopia de bio-impedancia nos permite determinar los parámetros directamente relacionados con información física del tejido, como pueden ser la densidad celular o la dispersión del tamaño de las células, entre otros. Estos aspectos físicos son variantes con el tempo en tejidos que están sometidos a cambios mecánicos que en ocasiones pueden ser muy rápidos, como es el caso particular del tejido cardiaco. Debido a ello, también es de interés poder realizar la medida de manera rápida y continua durante un cierto intervalo de tiempo, con el objetivo de poder ver su evolución. Equipos de investigación del hospital de Sant Pau, juntamente con el grupo de investigación de Instrumentación Electrónica y Biomédica del Departament d’Enginyeria Electrònica de la UPC, están estudiando la eficacia de la medida de bio-impedancia en el diagnostico i localización de infartos de miocardio o tumores pulmonares, patologías comunes y que presentan una disminución en la calidad de vida, incluso el fallecimiento, a los pacientes que la sufren, justificando la necesidad clínica de un dispositivo capaz de dar soporte a su diagnosis. Según los resultados preliminares de la investigación, este método puede tener un papel complementario, mejorando la capacidad de distinguir algunos tejidos patológicos de las técnicas actuales. Los instrumentos presentes en el mercado actual válidos para la medida de espectroscopia de impedancia acostumbran a ser costosos, voluminosos e incompletos, dificultando y encareciendo la capacidad de uso de dichas herramientas para tal objetivo, así como el avance en el procedimiento de investigación y validación de dicha técnica como método de diagnóstico clínico. Por tanto, el objetivo de este proyecto en concreto es desarrollar un instrumento de medida auto contenido y de bajo coste que sea capaz de medir bio-impedancia satisfaciendo las características requeridas. Dicho sistema será desarrollado sobre la herramienta de instrumentación de desarrollo libre recientemente aparecida en el mercado llamada Red Pitaya, basada en el chip Zynq de Xilinx, y la suite de computación y presentación gráfica Matlab como principales sustentos tecnológicos, aprovechando todo el material y conocimientos actuales sobre el ámbito en cuestión adquiridos por los resultados del trabajo anterior del grupo de investigación. Como resultado final del proyecto, se ha conseguido realizar una medida de impedancia de tejido cardiaco con el prototipo propuesto, accediendo mediante un catéter al interior del corazón de un cerdo in-vivo con un infarto de miocardio inducido. Se ha medido la impedancia con el catéter flotando dentro de la cavidad, en contacto con tejido sano y en contacto con tejido cicatrizado, viéndose las claras diferencias entre las tres medidas y validando así la capacidad de dar soporte a la investigación con el prototipo propuesto. Degut al coneixement de la estructura cel·lular dels teixits biològics i la capacitat d’extraure un model elèctric paramètric del mateix basat en un element de dos terminals amb una certa relaxació espectral d’impedància (model de Cole-Cole), l’espectroscòpia de bio-impedància ens permet determinar els paràmetres directament lligats amb informació física del teixit, com pot ser la densitat cel·lular o la dispersió de la mida de les cèl·lules, entre d’altres. Aquest aspectes físics són variants en el temps en teixits que estan sotmesos a canvis mecànics que en ocasions poden ser molt ràpids, com en el cas particular del teixit cardíac. Degut a això, també es d’interès poder fer la mesura de manera ràpida i continuada durant un cert interval de temps, amb l’objectiu de poder veure la seva evolució. Equips de recerca de l’hospital de Sant Pau, juntament amb el grup de recerca d’Instrumentació Electrònica i Biomèdica del Departament d’Enginyeria Electrònica de la UPC, estan estudiant la eficàcia de la mesura de bio-impedància en el diagnòstic i localització d’infarts de miocardi o tumors pulmonars, patologies comuns i que presenten una disminució de la qualitat de vida, inclús mortalitat, als pacients que les pateixen, justificant la necessitat clínica d’un dispositiu capaç de donar suport a la seva diagnosi. Segons els resultats preliminars de la recerca, aquest mètode pot tenir un paper complementari, millorant la capacitat de distingir alguns teixits patològics de les tècniques actuals. Els instruments presents al mercat actual per a mesurar espectroscòpia de impedància acostumen a ser costosos, voluminosos i incomplerts, dificultant i encarint la capacitat d’us d’aquestes eines per a l’objectiu esmentat, així com l’avenç en el procediment de recerca i validació d’aquesta tècnica com a mètode de diagnosi clínica. Per tant, l’objectiu d’aquest projecte en concret és desenvolupar un instrument de mesura auto contingut i de baix cost que sigui capaç de mesurar bio-impedància satisfent les característiques requerides. Aquest sistema serà prototipat sobre l’eina d’instrumentació de desenvolupament lliure recent apareguda al mercat anomenada Red Pitaya, basada en el xip Zynq de Xilinx, i la suite de computació i presentació gràfica Matlab com a principals suports tecnològics, aprofitant tot el material i coneixements actuals sobre l’àmbit en qüestió assolits pels resultats del treball anterior del grup de recerca. Com a resultat final del projecte, s’ha aconseguit realitzar una mesura d’impedància de teixit cardíac amb el prototip proposat, accedint mitjançant un catèter a l’interior del cor d’un porc in-vivo amb un infart de miocardi induït. S’ha mesurat la impedància amb el catèter flotant dins la cavitat, en contacte amb teixit sà i en contacte amb teixit cicatritzat, veient-se les clares diferencies entre les tres mesures i validant així la capacitat de donar suport a la recerca amb el prototip proposat.

Realización de medidas por espectroscopía de impedancias a células solares interdigitadas para obtener diagramas de Bode y de Nyquist, y posteriormente los parámetros que modelan su comportamiento mediante el ajuste con modelos circuitales. Se analizarán estos parámetros y se obtendrán factores de mérito . This project aims to make measurements on solar cell high yield by a novel technique based on obtaining impudencias measured by spectroscopy using an impedance analyzed . After making measurements using this technique it is possible to perform the extraction of parameters and figures of merit that define the operation and behavior of this type of solar cell interdigital high performance . El presente proyecto trata de realizar medidas sobre célula solares de alto rendimiento mediante una novedosa técnica que se basa en la obtención de medidas mediante espectroscopia de impudencias utilizando un analizado de impedancias. Una vez realizadas las medidas mediante esta técnica es posible realizar la extracción de parámetros y figuras de mérito que definen el funcionamiento y comportamiento de este tipo de célula solares interdigitales de alto rendimiento. El present proyecte trata de la realización de mesures sobre cal·lules solars d'alt rendimient mitjançant una técnica nova que es basa en l'obtenció de les mesures mitjançant l'espetroscopía d'impedancies utilitzant un analizado d'impedancies. Un cop realitzades les mesures mitjançant aquesta técnica es possible extreure els paràmetres i figures de merit que modelen el comportament i el funcionament d'aquest tipus de cél·lules interdigitales d'alt rendiment.

Medir y modelar medidas realizadas mediante espectroscopía de impedancias a dispositivos semiconductores. A partir de los resultados obtenidos, extraer los parámetros y las figuras de mérito que modelan su comportamiento y realizar mejoras de diseño. Este proyecto consiste en el análisis y diseño de células solares de altas prestaciones de diferentes estructuras y características físicas, y otros dispositivos como un microcondensador de gran capacidad (supercondensador), mediante espectroscopia de impedancias. Primero se han realizado mediciones mediante espectroscopia de impedancias que permite inyectar una pequeña señal eléctrica en un barrido frecuencial a diferentes polarizaciones y medir la respuesta del dispositivo. Esto permite obtener los diagramas de Bode y de Nyquist de la impedancia. Utilizando un modelo circuital se han ajustado los resultados, obteniendo los parámetros y factores de mérito que caracterizan a dichos dispositivos. Finalmente, del análisis de estos valores se pueden encontrar condiciones de diseño que permiten indicar como mejorar su funcionamiento. Aquest projecte consisteix en l’anàlisis i disseny de cèl·lules solars d’altes prestacions de diferents estructures i característiques físiques, i altres dispositius com un microcondensador de gran capacitat (supercondensador), mitjançant l’espectroscopia d’impedàncies. Primer s’han realitzat medicions mitjançant espectroscopia d’impedàncies que permet injectar una petita senyal elèctica en un escombrat freqüencial a diferents polaritzacions I mesurar la resposta del dispositiu. Això permet obtenir diagrames de Bode I de Nyquist de la impedància. Utilitzant un model circuital s’han ajustat els resultats, obtenint els paràmetres i factors de mèrit que caracteritzen aquests dispositius. Finalment, de l’anàlisi dels valors obtinguts es poden trobar condicions de disseny que permeten indicar com millorar el seu funcionament. This project is based on the analysis and design of high performance solar cells of different structures and physical characteristics, and other devices such as big capacity capacitor (supercapacitor), using the Impedance Spectroscopy. Firstly, it has been done measurements using Impedance spectroscopy that allows to inject to the device a little power electrical signal in a frequency sweep at different voltage offsets and measure the response of the device. This allows to obtain Bode and Nyquist diagrams of the impedance. Using a circuit model the results has been adjusted, obtaining the parameters and merit factors that characterize the behavior of the studied devices. Finally, after the analysis of the values it is possible to obtain conditions for the design that allows to improve the performance of the devices.

[ANGLÈS] This project describes the development and validation, using experimental measurements, of the software (user interface, PC and Field Programmable Gate Array (FPGA) communication and embedded software programming) of an arbitrary multifrequency analyzer for electrical impedance spectrum measurements based in FPGA. To manage all the hardware components used for the impedance measurements, a code has been developed and implemented inside a embedded processor inside FPGA and also the corresponding part of the communication between the PC via USB port. This project includes control software implemented with the computer using LabVIEW. To conclude, characterization measures are made to verify the system specifications. [CASTELLÀ] El proyecto realizado describe el desarrollo y la validación mediante medidas experimentales del programario (interficie de usuario, comunicación entre el PC y la placa donde reside el dispositivo programable llamado Field Programmable Gate Array(FPGA) y el programario de éste) de un analizador arbitrario multifrecuencia basado en FPGA para la medida de espectros de impedancia eléctrica. Para gestionar los componentes hardware que se encargan de la medida de impedancia se ha diseñado el código del programa del procesador embebido dentro da la FPGA i también la parte correspondiente a la comunicación con el ordenador a través del puerto USB. El proyecto también incluye un diseño de un programa de control del sistema implementado a través del ordenador mediante LabVIEW: Finalmente, se han realizado medidas de caracterización del sistema para verificar sus especificaciones. [CATALÀ] El projecte realitzat descriu el desenvolupament i validació mitjançant mesures experimentals del programari(interfície d'usuari, comunicació entre el PC i la placa on hi ha el dispositiu programable anomenat Field Programmable Gate Array (FPGA)i el programari d’aquest) d'un analitzador arbitrari multifreqüència basat en FPGA per a la mesura d’espectres d'impedància elèctrica. Per tal de gestionar els components hardware encarregats de la mesura d’impedància s’ha dissenyat el codi del programa del processador embegut dins de la FPGA i també la part corresponent a la comunicació amb l’ordinador a través del port USB. El projecte també inclou el disseny d’un software de control del sistema implementat a l’ordinador mitjançant Labview. Finalment, s’han realitzat mesures de caracterització del sistema per verificar les seves especificacions.

Català: L´objectiu d´aquest treball és el disseny del nucli d´un sistema modular de mesura de bioimpedància elèctrica capaç de detectar variacions amb la major exactitud possible i en qualsevol cas millor al 1% i en un rang freqüencial de 20 MHz, de forma que pugui cobrir la major part d´aplicacions de mesura de bioimpedància. El disseny està basat en un desmodulador concret de prestacions avançades d´Analog Devices que condiciona la resta de components que l´integren. Pel desenvolupament del disseny s´han fet servir com a eines diferentes plaques d´evaluació també d´Analog Devices per incrementar la probabilitat d´èxit del disseny. Degut a que la freqüència de treball del sistema de mesura és de vàries decenes de MHz, s´han pres decisions per minimitzar les interferències d´alta freqüència. La implementació del disseny s´ha realitzat en una placa de circuit imprès de 4 capes amb l´objectiu de portar a la pràctica aquestes consideracions. Bàsicament, preservar la integritat dels senyals i possibilitar un traçat del layout sota criteris d´uniformitat entre canals, crític a altes freqüències. Per a la verificació del disseny s´ha conectat la placa a un front-end conegut i a un sistema d´adquisició extern. S´ha realitzat la caracterització de components per separat i del conjunt. Els resultats obtinguts s´han utilitzat per realitzar un calibratge del sistema de mesura. S´han realitzat mesures de xarxes RC utilitzant el model circuital de les suspensions cel.lulars amb diferents variacions d´impedància (mòdul i fase). També s´han realitzat mesures d´impedàncies dinàmiques com la monitorització de la respiració i la mesura de sedimentació de biomassa. Finalment, un cop comprovada la funcionalitat del disseny i les seves limitacions, s´ha deixat oberta la possibilitat a la realització de futures millores d´aquelles parts que es consideren més rellevants. Castellano: El objetivo del trabajo es el diseño del núcleo de un sistema modular de medida de bioimpedancia eléctrica capaz de detectar variaciones con la mayor exactitud posible y en cualquier caso mejor que el 1% y en un rango frecuencial de 20 MHz, de forma que cubra la mayor parte de aplicaciones de medida de bioimpedancia. El diseño está basado en un demodulador concreto de prestaciones avanzadas de Analog Devices que condiciona el resto de componentes que lo integran. Para el desarrollo del diseño se han utilizado como herramientas diferentes placas de evaluación también de Analog Devices para aumentar la probabilidad de éxito del diseño. Debido a que la frecuencia de trabajo del sistema de medida es de varias decenas de MHz, se han tomado decisiones para minimizar las interferencias de alta frecuencia. La implementación del diseño se ha realizado en una placa de circuito impreso de 4 capas con el objetivo de llevar a la práctica estas consideraciones. Básicamente, preservar la integridad de las señales y posibilitar un trazado del layout bajo criterios de uniformidad entre canales, crítico a altas frecuencias. Para la verificación del diseño se ha conectado la placa a un front-end conocido y a un sistema de adquisicion externo. Se ha realizado la caracterización de componentes por separado y del conjunto. Los resultados obtenidos se han utilizado para realizar una calibración del sistema de medida. Se han realizado medidas de redes RC utilizando el modelo circuital de las suspensiones celulares con variaciones diferentes de impedancia (módulo y fase). También se han realizado medidas de impedancias dinámicas como la monitorización de la respiración y la medida de sedimentación de biomasa. Finalmente, una vez comprobada la funcionalidad del diseño y sus limitaciones, se ha dejado abierta la posibilidad a la realización de futuras mejoras de aquellas partes que se consideran más relevantes. English: The goal of this project is the design of the core of an electrical bioimpedance measurement modular system to detect variations as accurately as possible and in any case better than 1% in a frequency range of 20 MHz to cover most of bioimpedance measurement applications. The design is based on a particular demodulator from Analog Devices with advanced features that determines the rest of the components. For the development of the design several evaluation boards from Analog Devices have been used before the design of the final prototype to increase the probability of success. Because the work frequency of the measurement system is several tents of MHz, decisions to minimize high frequency interferences have been taken. The implementation of the design has been done on a 4-layer printed circuit board in order to cover these considerations. Basically, preserve signal integrity and make possible the routing under channels uniformity criteria, which is critical at high frequencies. For the design verification the pcb has been connected to a known front- end and to external acquisition system. The results on the characterization of the components separately and put together has been used to perform the calibration of the measurement system. Measurements were carried out using RC networks using the models of concentrated parameters for cell suspensions with different variations of impedance (magnitude and phase). Also measurements of dynamic impedances as the respiration monitoring and the sedimentation of biomass have been performed. Finally, after verifying the design functionality and its limitations, the possibility for the realization of improvements in those parts that are considered most relevant has been left open.

En aquest projecte s’hi estudien i comparen diversos mètodes emprats per a la identificació d’una pila de combustible amb membrana d’intercanvi de protons (PEMFC). Aquest estudi es du a terme a partir de dades reals, obtingudes en diversos assajos realitzats a una pila que en permeten una àmplia caracterització. Les piles de combustible són una tecnologia en constant evolució que en l’última dècada han començat a investigar-se àmpliament . Amb les grans qüestions energètiques que han pres gran força en aquest tombant de segle, les piles de combustible i les seves aplicacions en el món del transport són quelcom a tenir molt en compte en els pròxims anys. La modelització de les PEMFC centre l’interès de molts grups de recerca. Aquesta és una de les línies del Grup de Piles de Combustible de l’Institut de Robòtica Industrial i Informàtica Industrials (IRII), on s’ha realitzat aquest projecte. El projecte tracta bàsicament models experimentals, però també es pretén trobar una explicació física dels resultats obtinguts de l’estudi de la pila. Les dades que s’analitzen s’han obtingut mitjançant dos tipus d’assajos: l’espectroscòpia d’impedància i la interrupció de corrent. Amb el primer es treballa amb la resposta freqüencial de la pila, mentre que amb el segon es té informació en el domini temporal. Aquestes dades s’estudien de tres formes. En primer lloc es tracten amb el software especial per a sistemes electroquímics anomenat Z-View. Amb aquest programa es proposen impedàncies equivalents que s’ajustin a les dades experimentals. Analitzant els paràmetres d’aquests circuits en diferents punts de treball de la pila es vol estudiar l’efecte dels canvis de la pressió i de la temperatura. L’altre mètode emprat per a la identificació del sistema, que treballa també amb les dades de les espectroscòpies, es basa en la utilització de l’eina Ninteger per al programa Matlab. Aquesta eina permet ajustar funcions de transferència amb exponents fraccionaris, adequats per a descriure processos no lineals. En tercer lloc, les dades de les interrupcions de corrent també s’estudien amb el Matlab, mirant d’ajustar-hi un model lineal proposat que reflecteixi els fenòmens més importants que influeixen en el comportament d’una pila de combustible. Per a cada mètode s’avalua la seva adequació i els tres mètodes també es comparen entre ells.

For a few years now, bioimpedance or the impedance that can be found in a biological tissue has been the object of many studies. Thanks to the existence of the Cole-Cole model, a group of cells can be approximated to an electric circuit. From that structure the tissue can be characterized with the response and, therefore, detect a number of pathologies. In this project an impedance spectroscopy system based in the Red Pitaya?s STEMLab board has been designed and developed. The final instrument allows the module and phase of the impedance to be seen in real-time through Matlab. The impedance measure in the tissue can be done thanks to an analog front-end based on a 4-electrode measurement method. In the development of the project a study on the duration of the system when implementing two different methods has been carried out to see which one is better. And, finally, three tests have been executed with the final implementation of the project: the first one on the measurement dispersion, the second on linearity and the third using biological tissue in a simulation of the real application. Hace ya unos cuantos años que la bioimpedancia o la impedancia que encontramos en un tejido biológico ha sido objeto de numerosos estudios. Gracias a la existencia del modelo de Cole-Cole se puede aproximar las agrupaciones de células como un circuito eléctrico. A partir de esa estructura se puede caracterizar el tejido a partir de la respuesta y, así, detectar diversas patologías. En este proyecto se ha diseñado y desarrollado un sistema de espectroscopia de impedancia basado en la placa STEMLab de Red Pitaya. El instrumento final permite ver el módulo y la fase de la impedancia a tiempo real mediante Matlab. La medida de la impedancia en el tejido se puede hacer gracias a un front-end analógico basado en la medida a 4 electrodos. Dentro del desarrollo del proyecto se ha llevado a cabo un estudio de duración del proceso del sistema la implementar dos métodos distintos para ver cuál sería el mejor. Y, finalmente, se han realizado tres pruebas con la implementación final del proyecto: la primera de la dispersión de las medidas, la segunda de la linealidad y la tercera sobre un tejido o biológico en una simulación de la aplicación real. Des de ja fa uns quants anys la bioimpedància o la impedància que trobem en un teixit biològic ha sigut objecte de nombrosos estudis. Gràcies a l'existència del model de Cole-Cole, es pot aproximar l'agrupació de cèl·lules com a un circuit elèctric. A partir d'aquesta estructura es pot caracteritzar el teixit gràcies a la seva resposta i així detectar diverses patologies. En aquest projecte s'ha dissenyat i desenvolupat un sistema d'espectroscòpia d'impedància basat en la placa STEMLab de Red Pitaya. L'instrument final permet veure el mòdul i la fase de la impedància a temps real mitjançant Matlab. La mesura de la impedància en el teixit es fa gràcies a un front-end analògic basat en la mesura a 4 elèctrodes. Dintre del desenvolupament del projecte s'ha dut a terme un estudi de duració del procés del sistema al implementar dos mètodes diferents per a veure quin seria millor. I, finalment, s'han realitzat tres tipus de proves amb la implementació final del projecte: la primera de la dispersió de les mesures, la segona de la linealitat i la tercera sobre un teixit biològic en una simulació de la aplicació real.

Due to the knowledge of the cellular structure of biological tissues and the ability to extract a parametric passive electrical model of tissue based on a two terminals element with a given spectral relaxation of impedance (Cole-Cole model), bio-impedance spectroscopy allows us to relate these parameters to tissue physical features, such as cell density or the dispersion of the size and shape of cells among others. These physical aspects are variable with time in tissues that are subject to mechanical changes, which sometimes can be relatively fast, as it is the case of the in-vivo heart tissue. As a result, it is also of interest to make the measurements quickly and continuously during a given time interval, aiming to see its evolution. Research teams of Sant Pau Hospital together with the Instrumentation and Bioengineering research team of the Electronics Engineering Department, are studying the effectiveness of the bio-impedance measurement in the diagnosis and localization of lung tumors and myocardial infarctions, common pathologies that present a decrease in quality of life, even death, in patients who suffer them, justifying the clinical need for a device capable of improving their diagnosis. According to preliminary research results, this technique would be useful as a complementary tool, improving the ability of distinguishing pathological tissues of current techniques. Commercially available instruments for measurement of impedance spectroscopy are usually expensive, bulky and incomplete, making it difficult and more expensive the use of these tools for this purpose, as well as progress in the procedure of investigation and validation of such practice as a method of clinical diagnosis. Therefore, the objective of this project is to design and prototype a standalone and low cost measuring instrument capable of measuring bio-impedance satisfying the required characteristics. Such a system will be prototyped using an open-hardware development tool recently appeared on the market called Red Pitaya and the suite of computing and graphical presentation Matlab as major technological basis, taking advantage of all materials and background about the field in question acquired by the results of the previous work of the research group. The final result of the project has been to make a measurement of impedance of in-vivo cardiac tissue in a pig model with induced myocardial infarction with the designed prototype, accessing the myocardial tissue through a catheter. Impedance spectra have been acquired with the catheter floating inside the cavity, in contact with healthy tissue and also with scar tissue, being able of distinguishing between the three tissue states and thus validating the ability to support research of the developed prototype. Debido al conocimiento de la estructura celular de los tejidos biológicos y la capacidad de extraer un modelo eléctrico paramétrico del mismo basado en elemento de dos terminales con una cierta relajación espectral de impedancia (modelo de Cole-Cole), la espectroscopia de bio-impedancia nos permite determinar los parámetros directamente relacionados con información física del tejido, como pueden ser la densidad celular o la dispersión del tamaño de las células, entre otros. Estos aspectos físicos son variantes con el tempo en tejidos que están sometidos a cambios mecánicos que en ocasiones pueden ser muy rápidos, como es el caso particular del tejido cardiaco. Debido a ello, también es de interés poder realizar la medida de manera rápida y continua durante un cierto intervalo de tiempo, con el objetivo de poder ver su evolución. Equipos de investigación del hospital de Sant Pau, juntamente con el grupo de investigación de Instrumentación Electrónica y Biomédica del Departament d’Enginyeria Electrònica de la UPC, están estudiando la eficacia de la medida de bio-impedancia en el diagnostico i localización de infartos de miocardio o tumores pulmonares, patologías comunes y que presentan una disminución en la calidad de vida, incluso el fallecimiento, a los pacientes que la sufren, justificando la necesidad clínica de un dispositivo capaz de dar soporte a su diagnosis. Según los resultados preliminares de la investigación, este método puede tener un papel complementario, mejorando la capacidad de distinguir algunos tejidos patológicos de las técnicas actuales. Los instrumentos presentes en el mercado actual válidos para la medida de espectroscopia de impedancia acostumbran a ser costosos, voluminosos e incompletos, dificultando y encareciendo la capacidad de uso de dichas herramientas para tal objetivo, así como el avance en el procedimiento de investigación y validación de dicha técnica como método de diagnóstico clínico. Por tanto, el objetivo de este proyecto en concreto es desarrollar un instrumento de medida auto contenido y de bajo coste que sea capaz de medir bio-impedancia satisfaciendo las características requeridas. Dicho sistema será desarrollado sobre la herramienta de instrumentación de desarrollo libre recientemente aparecida en el mercado llamada Red Pitaya, basada en el chip Zynq de Xilinx, y la suite de computación y presentación gráfica Matlab como principales sustentos tecnológicos, aprovechando todo el material y conocimientos actuales sobre el ámbito en cuestión adquiridos por los resultados del trabajo anterior del grupo de investigación. Como resultado final del proyecto, se ha conseguido realizar una medida de impedancia de tejido cardiaco con el prototipo propuesto, accediendo mediante un catéter al interior del corazón de un cerdo in-vivo con un infarto de miocardio inducido. Se ha medido la impedancia con el catéter flotando dentro de la cavidad, en contacto con tejido sano y en contacto con tejido cicatrizado, viéndose las claras diferencias entre las tres medidas y validando así la capacidad de dar soporte a la investigación con el prototipo propuesto. Degut al coneixement de la estructura cel·lular dels teixits biològics i la capacitat d’extraure un model elèctric paramètric del mateix basat en un element de dos terminals amb una certa relaxació espectral d’impedància (model de Cole-Cole), l’espectroscòpia de bio-impedància ens permet determinar els paràmetres directament lligats amb informació física del teixit, com pot ser la densitat cel·lular o la dispersió de la mida de les cèl·lules, entre d’altres. Aquest aspectes físics són variants en el temps en teixits que estan sotmesos a canvis mecànics que en ocasions poden ser molt ràpids, com en el cas particular del teixit cardíac. Degut a això, també es d’interès poder fer la mesura de manera ràpida i continuada durant un cert interval de temps, amb l’objectiu de poder veure la seva evolució. Equips de recerca de l’hospital de Sant Pau, juntament amb el grup de recerca d’Instrumentació Electrònica i Biomèdica del Departament d’Enginyeria Electrònica de la UPC, estan estudiant la eficàcia de la mesura de bio-impedància en el diagnòstic i localització d’infarts de miocardi o tumors pulmonars, patologies comuns i que presenten una disminució de la qualitat de vida, inclús mortalitat, als pacients que les pateixen, justificant la necessitat clínica d’un dispositiu capaç de donar suport a la seva diagnosi. Segons els resultats preliminars de la recerca, aquest mètode pot tenir un paper complementari, millorant la capacitat de distingir alguns teixits patològics de les tècniques actuals. Els instruments presents al mercat actual per a mesurar espectroscòpia de impedància acostumen a ser costosos, voluminosos i incomplerts, dificultant i encarint la capacitat d’us d’aquestes eines per a l’objectiu esmentat, així com l’avenç en el procediment de recerca i validació d’aquesta tècnica com a mètode de diagnosi clínica. Per tant, l’objectiu d’aquest projecte en concret és desenvolupar un instrument de mesura auto contingut i de baix cost que sigui capaç de mesurar bio-impedància satisfent les característiques requerides. Aquest sistema serà prototipat sobre l’eina d’instrumentació de desenvolupament lliure recent apareguda al mercat anomenada Red Pitaya, basada en el xip Zynq de Xilinx, i la suite de computació i presentació gràfica Matlab com a principals suports tecnològics, aprofitant tot el material i coneixements actuals sobre l’àmbit en qüestió assolits pels resultats del treball anterior del grup de recerca. Com a resultat final del projecte, s’ha aconseguit realitzar una mesura d’impedància de teixit cardíac amb el prototip proposat, accedint mitjançant un catèter a l’interior del cor d’un porc in-vivo amb un infart de miocardi induït. S’ha mesurat la impedància amb el catèter flotant dins la cavitat, en contacte amb teixit sà i en contacte amb teixit cicatritzat, veient-se les clares diferencies entre les tres mesures i validant així la capacitat de donar suport a la recerca amb el prototip proposat.

Detecció de fibres plàstiques en provetes cúbiques mitjançant mesures d'impedància [ANGLÈS] Project's objective is detecting plastic fibers inside concrete cubic samples, to differentiate between samples with or without them inside. We have got some initial samples with and without fibers which we are going to test by impedance spectroscopy. In order to do the tests we are going to hydrate them till saturation for time enough and fit them with current electrodes and perpendicular potential electrodes in order to measure potential differences. We get a positive result. We make a model of the sample without fiber by phantom and that is how we assure that the difference at the response is because fiber presence inside concrete samples. After phantom measure we did not get any different effect that we have not already seen in samples without fibers and we continue making a concrete sample campaign with same age and different plastic fibers dosages in order to check that previous effects were not isolated and detection is possibly. Results are favorable and we can measure a different performance between samples with fibers regarding samples without them. While samples without fibers show a flat response at interest frequency range, concrete samples with fibers show an impedance module increase and a different module value. Response is highly dependent of cured time and it is clearly differentiate while samples are fresh, with the time near its cured age response is going to become blur. We can differentiate concrete samples with or without fibers by impedance spectroscopy. [CASTELLÀ] El objetivo del proyecto es poder detectar fibras plásticas dentro de probetas cúbicas de hormigón, para diferenciar probetas con o sin ellas en su interior. Dispondremos de unas probetas iniciales: con fibras y sin ellas, las cuales ensayaremos mediante espectroscopia de impedancias. Para realizar las medidas hidrataremos hasta saturación las probetas durante un tiempo suficiente y acoplaremos unos electrodos de corriente y otros perpendicularmente de potencial para poder determinar la caída de tensión. Obtenemos un resultado positivo. Pasamos a realizar un modelado de la probeta sin fibras mediante phantom y así asegurarnos que la diferencia de respuesta es debida a la presencia de fibras en su interior. Tras ensayar el phantom no se obtuvo ningún efecto no visto en la probeta sin fibras y a continuación realizamos una campaña de probetas de igual edad con diferentes dosificaciones de fibras para comprobar que el efecto no es aislado y que la detección es posible. Los resultados son favorables y se obtiene un comportamiento diferenciado en probetas con fibras respecto a las que no tienen. Mientras que las probetas sin fibras presentan una respuesta plana en el rango de frecuencias de interés, las probetas con fibras presentan un incremento del módulo de impedancia a parte de un valor de módulo diferente. La respuesta es altamente dependiente del tiempo de curado y es claramente diferenciada mientras las probetas están tiernas, para irse difuminando cerca de la edad de curado. Luego es posible diferenciar probetas de hormigón con y sin fibras mediante espectroscopia de impedancias. [CATALÀ] L'objectiu del projecte és poder detectar fibres plàstiques dins provetes cúbiques de formigó, per poder diferenciar provetes amb o sense elles a l'interior. Disposarem d'unes provetes inicials: amb fibres i sense elles, les quals assajarem mitjançat espectroscòpia d'impedàncies. Per realitzar les mesures hidratarem fins a saturació les provetes durant un temps suficient i acoblarem uns elèctrodes de corrent i uns altres perpendicularment de potencial per poder determinar la caiguda de tensió. Obtenim un resultat positiu. Realitzem un modelat de la proveta sense fibres mitjançant phantom i així assegurarem que la diferència de resposta es deguda a la presència de fibres al seu interior. Després d'assajar el phantom no obtenim cap efecte no vist a la proveta sense fibres i a continuació realitzem un campanya de provetes de la mateixa edat amb diferents quantitats de fibres per comprovar que l'efecte no és aïllat i la detecció és possible. Els resultats són favorables i s'obté un comportament diferenciat en provetes amb fibres respecte a les que no en tenen. Mentre que les provetes sense fibres presenten una resposta plana en el rang de freqüències d'interès, les provetes amb fibres presenten un increment del mòdul d'impedància a part d'un valor de mòdul diferent. La resposta és altament depenent del temps de curat i és clarament diferenciada mentre les provetes estan tendres, per anar-se difuminant a prop de l'edat de curat. Per tant és possible diferenciar provetes de formigó amb i sense fibres mitjançant espectroscòpia d'impedàncies.

In order to obtain successful catheter ablation of ventricular arrhythmias in patients with chronic myocardial infarction is essential the precise identification of the infarct scar. Nowadays, endocardial voltage mapping is used to delineate the healed tissue. However, this technique is not sensitive enough to differentiate distinct degrees of transmural injury in the scar and, moreover, it is influenced by the direction of the activation wavefront. A new technique, mapping local myocardial electrical impedance, which uses an intracavitary catheter inside the left ventricle, could overcome these limitations, but it has just started being investigated now. Trials with pigs are being taken to establish the viability of the technique. Throughout this project different methods and materials have been used including the usage of experimental data and finite elements models, aimed to verify the accuracy of this novel mapping system, to evaluate the influence of different factors on the measurements in order to understand completely the technique and, also, to find the origin of the observed amplitude modulation of the signals that is around of 20%. We have proved that this novel technique is able to identify the longitudinal extent of the scars (mainly transmural and non-transmural scars located in the inner part of the wall) very accurately: the maximum sensitivity of the catheter is at its surroundings and decays by more than four orders of magnitude by moving away 2 cm from the tip. Moreover, the scar is sensed in a very concentrated region without extending its influence towards healthy tissue. We have also demonstrated that the position of the external measuring electrode has no influence on the measurements. Para realizar con éxito ablaciones de arritmias ventriculares en pacientes con infarto de miocardio crónico es esencial una identificación precisa de la cicatriz del infarto. Actualmente, se utiliza el mapeo de voltaje endocardio para delinear el tejido cicatrizado. Sin embargo, esta técnica no es suficientemente sensible a diferentes grados de transmuralidad en la lesión y, además, está influenciada por la dirección del frente de onda de activación. Una nueva técnica, el mapeo local de impedancia eléctrica del miocardio, que utiliza un catéter intracavitario dentro del ventrículo izquierdo, podría superar estas limitaciones, pero se está justo empezando a investigar. Ahora mismo, pruebas experimentales con cerdos se están llevando a cabo para establecer la validez de la técnica. En este proyecto se han utilizado diferentes métodos y materiales, incluyendo el uso de datos experimentales y modelos de elementos finitos, dirigidos a la verificación de la precisión de este nuevo sistema de mapeo, la evaluación de la influencia de diferentes factores en las medidas para entender completamente la técnica y, también, a la búsqueda del origen de la amplitud observada en la modulación de las señales, que es de un 20%. Se ha probado que la nueva técnica es capaz de identificar la extensión longitudinal de la cicatriz (principalmente en cicatrices transmurales y no-transmurales situadas en la parte interna de la pared del corazón) de manera muy precisa: la máxima sensibilidad del catéter se encuentra en sus alrededores y decae en más de cuatro órdenes de magnitud en alejarnos 2 cm de su punta. Además, la cicatriz se detecta en una región muy concentrada sin extender su influencia hacia el tejido sano. Se ha demostrado también que la posición del electrodo externo de medida no influye en las medidas. Per tal de realitzar amb èxit ablacions d'arrítmies ventriculars en pacients amb infart de miocardi crònic és essencial una identificació precisa de la cicatriu de l'infart. Actualment, s'utilitza el mapatge de voltatge endocardi per a delinear el teixit cicatritzat. Tot i això, aquesta tècnica no és suficientment sensible a diferents graus de transmuralitat en la lesió i , a més, està influenciada per la direcció del front d'ona d'activació. Una nova tècnica, el mapatge local d'impedància elèctrica del miocardi, que utilitza un catèter intracavitari dins del ventricle esquerre, podria superar aquestes limitacions, però s'està just començant a investigar. Ara mateix, proves experimentals amb porcs s'estan duent a terme per establir la validesa de la tècnica. En aquest projecte s'han utilitzat diferents mètodes i materials, incloent l'ús de dades experimentals i models d'elements finits, adreçats a la verificació de la precisió d'aquest nou sistema de mapatge, a l'avaluació de la influència de diferents factors en les mesures per tal d'entendre completament la tècnica i, també, a la cerca de l'origen de la amplitud observada en la modulació dels senyals, que és d'un 20%. S'ha provat que la nova tècnica es capaç d'identificar l'extensió longitudinal de la cicatriu (principalment en cicatrius transmurals i no-transmurals situades a la part interna de la paret del cor) de forma molt precisa: la màxima sensibilitat del catèter és als seus voltants i decau en més de quatre ordres de magnitud en allunyar-nos 2 cm de la seva punta. A més, la cicatriu es detecta en una regió molt concentrada sense estendre la seva influència cap al teixit sa. S'ha demostrat també que la posició de l'elèctrode extern de mesura no influeix en les mesures.

Anglès: Nowadays there is an interesting grown of the manipulation of matter at the nanometric scale in order to develop new Nano-devices and to make use of theirs nanometric properties. The research group of Micro and Nano Technologies (MNT) of UPC has developed a technique for depositing Nano-particles, called electrospray, is being applied to the manufacture of Nanophotonic devices. In this project the electrospray technique is used to deposit Nano-particles of dielectric materials and manufacture a Metal- Insulator -Metal (MIM) device. The capacitors fabricated in this project, consist of a metal layer deposited by sputtering, a layer of Nano-particles of insulating material deposited by electrospray and another metal layer deposited by thermal evaporation. The matter used for Nano-particles is silicon oxide nanospheres, the metal is aluminum. Work areas will be of the order of 7x10-6 m2 and thicknesses of the order of 10 microns. By electron microscope (SEM -FIB) of the CRNE lab, pictures are taken once manufactured devices. Measures are made on function of frequency of capacity, equivalent series resistance, impedance, phase; the Nyquist plot is also obtained to analyze the behavior of the MIM devices and contrast with some capacitors in the literature. The results indicated capacitance density of 0.2mF/cm2 to 1kHz and 0V dc bias. This project aims to analyze the interesting features arising from the use of nano-spheres for the performance of the insulation. Preliminary evidence suggests that the effect of using these nanospheres causes an increase of several orders of magnitude expected capacity, suggesting that these new devices are promising for use as "supercapacitors". Castellà: Actualmente existe un gran auge por el interés de la manipulación de la materia a escala nanométrica con la intención de desarrollar nuevos nano-dispositivos y aprovechar las propiedades nanométricas del material. El grupo de investigación de Micro y Nano Tecnologías (MNT) de la UPC ha desarrollado recientemente una técnica para depositar nano-partículas, llamada Electrospray, se está aplicando a la fabricación de dispositivos Nanofotónicos. En este proyecto se utiliza la técnica Electrospray para depositar nano-partículas de materiales dieléctricos y fabricar un nuevo dispositivo Metal-Aislante-Metal (MIM). Los condensadores fabricados en este proyecto, constarán de una capa de metal depositada por Pulverización Catódica, una capa de nano-partículas de material aislante depositada por Electrospray y otra capa de metal depositada por Evaporación térmica. El material usado para las nano-partículas es óxido de silicio (del orden de 250nm), el metal es aluminio. Las áreas de trabajo serán del orden de 7x10-6 m2 y los espesores del orden de 10 micrómetros. Mediante el microscopio electrónico (SEM-FIB) del laboratorio de CRNE se han tomado imágenes una vez fabricado los dispositivos. Se han realizado medidas en función de frecuencia de capacidad, resistencia serie equivalente, impedancia, fase; también ha obtenido el diagrama de Nyquist para analizar el comportamiento del MIM y contrastar los dispositivos con algunos existentes en la literatura. Los resultados indicaron densidad capacitiva de 0.2mF/cm2 a frecuencias de 1kHz y 0V de polarización. En este proyecto se pretende analizar las interesantes características que se derivan de la utilización de nano-esferas para la realización del aislante. Pruebas preliminares sugieren que el efecto de utilizar estas nano-esferas provoca un aumento de varios órdenes de magnitud la capacidad esperada, sugiriendo que estos nuevos dispositivos son prometedores en su utilización como “supercondensadores”. Català:Actualment hi ha un gran auge per l'interès de la manipulació de la matèria a escala nanomètrica amb la intenció de desenvolupar nous nano- dispositius i aprofitant les propietats nanomètriques del material. El grup de recerca de Micro i Nano Tecnologies ( MNT ) de la UPC ha desenvolupat recentment una tècnica per dipositar nano - partícules, anomenada Electrospray, s'està aplicant a la fabricació de dispositius nanofotònics. En aquest projecte s'utilitza la tècnica Electrospray per dipositar nano-partícules de materials dielèctrics i fabricar un nou dispositiu Metall-Aïllant-Metall ( MIM ) . Els condensadors fabricats en aquest projecte, constaran d'una capa de metall dipositada per Polvorització catòdica, una capa de nano-partícules de material aïllant dipositada per Electrospray i una altra capa de metall dipositada per Evaporació tèrmica. El material usat per a les nano- partícules és òxid de silici, el metall és alumini. Les àrees de treball seran de l'ordre de 7x10 -6 m2 i els gruixos de l'ordre de 10 micròmetres. Mitjançant el microscopi electrònic ( SEM - FIB ) del laboratori de CRNE s'han pres imatges un cop fabricat els dispositius. S'han realitzat mesures en funció de freqüència de capacitat, resistència sèrie equivalent, impedància, fase, també ha obtingut el diagrama de Nyquist per analitzar el comportament del MIM i contrastar els dispositius amb alguns existents a la literatura. Els resultats van indicar densitat capacitiva de 0.2mF/cm2 a freqüències de 1kHz i 0V de polarització. En aquest projecte es pretén analitzar les interessants característiques que es deriven de la utilització de nano-esferes per a la realització de l'aïllant. Proves preliminars suggereixen que l'efecte d'utilitzar aquestes nano- esferes provoca un augment de diversos ordres de magnitud la capacitat esperada, suggerint que aquests nous dispositius són prometedors en la seva utilització com "supercondensadores".

[ANGLÈS] This project details the design, implementation and measures to characterize the hardware for the acquisition of the electrical impedance spectrum. It also includes the signal generation using an arbitrary multifrequency generator, the acquisition and the signal processing. The system is based on a Field Programmable Gate Array (FPGA). An embedded processor has been implemented inside the FPGA, which manages all the other blocks that comprise the system. It also includes hardware design, FPGA programming using VHDL code and predefined blocks and communicating with the computer via the USB port. Finally, measurements were carried out to characterize the system to verify its performance. [CASTELLÀ] El presente proyecto detalla el diseño, la implementación y las medidas de caracterización del hardware para la adquisición de espectros de impedancia eléctrica. Incluye la generación de señal mediante un generador arbitrario multifrecuencia, la adquisición y el procesado de señal. Está basado en una Field Programmable Gate Array (FPGA). Se ha implementado un procesador embebido dentro de la FPGA que gestiona los otros bloques de los que consta el sistema. También incluye el diseño del hardware, programación de la FPGA mediante código VHDL y bloques predefinidos y comunicación con el ordenador a través del puerto USB. Finalmente, se han realizado medidas de caracterización del sistema para verificar sus prestaciones. [CATALÀ] El present projecte detalla el disseny, la implementació i les mesures de caracterització del hardware per a l’adquisició d’espectres d’impedància elèctrica. Inclou la generació del senyal mitjançant un generador arbitrari multifreqüència, l’adquisició i el processament del senyal. Està basat en una Field Programmable Gate Array (FPGA). S’ha implementat un processador embegut dins la FPGA que gestiona els altres blocs dels que consta el sistema. També inclou el disseny del hardware, programació de la FPGA mitjançant codi VHDL i blocs predefinits i comunicació amb l’ordinador a través del port USB. Finalment, s’han realitzat mesures de caracterització del sistema per verificar les seves prestacions.

El proyecto consiste en medir espectroscpías de impedancias en células solares, representarlas en Bode y Nyquist, y a partir de dichas representaciones extraer un modelo circuital que sirva para entender el funcionamiento de dichas células. At the present project a set of measurements of solar cells have been done with the use of Impedance Spectroscopy. The main fact of the project is the fabrication of printed circuit boards that allowed the direct contact of the solar cells with the measurement machine without the necessity of cables. In this way, the parasitic capacity and inductance are considerably reduced allowing measurements without distortion at high frequencies (until 15 MHz). In addition, with impedance spectroscopy it is possible to get the frequency response of the devices and separate the contribution in the resistance of each one of the physical layers that forms the solar cell structure, obtaining parameters that models the behavior like the ideality factor, the effective life time or the radius of the base contact. En el presente proyecto se ha realizado la medición de células solares mediante espectroscopia de impedancias. El principal aporte realizado en el proyecto es la fabricación de placas de circuito impreso que permiten contactar las células solares directamente con la máquina de medidas sin necesidad de cables. De esta forma, la capacidad y la inductancia parásitas se reducen drásticamente consiguiendo medidas sin distorsión a altas frecuencias (hasta 15 MHz). Además, mediante la espectroscopia de impedancias se consigue obtener la respuesta frecuencial de los dispositivos y separar la contribución en la resistencia de cada una de las capas físicas que forman la estructura de la célula solar, obteniendo parámetros que modelan el comportamiento como son el factor de idealidad, el tiempo de vida efectivo o el radio del contacto de base. Al present projecte s’ha realitzat la mesura de cèl·lules solars mitjançant l’espectroscòpia d’impedàncies. La principal aportació realitzada al projecte és la fabricació de plaques de circuit imprès que permeten contactar cèl·lules solars directament amb la màquina de mesures sense necessitat de cables. D’aquesta forma, la capacitat i la inductància paràsites es redueixen dràsticament aconseguint mesures sense distorsió a altes freqüències (fins a 15 MHz). A més, mitjançant l’espectroscòpia d’impedàncies s’aconsegueix obtenir la resposta freqüencial dels dispositius i separar la contribució a la resistència de cadascuna de les capes físiques que formen l’estructura de la cèl·lula solar, obtenint paràmetres que modelen el comportament com el factor d’idealitat, el temps de vida efectiu o el radi del contacte de base.