Search

Classicalmeasurements ofmyocardium tissue electrical impedance for characterizing the morphology of myocardium cells, as well as cell membranes integrity and intra/extra cellular spaces, are based on the frequency-sweep electrical impedance spectroscopy (EIS) technique. In contrast to the frequency-sweep EIS approach, measuring with broadband signals, i.e., multisine excitations, enables to collect, simultaneously, multiple myocardium tissue impedance data in a short measuring time. However, reducing the measuring time makes the measurements to be prone to the influence of the transients introduced by noise and the dynamic time-varying properties of tissue. This paper presents a novel approach for the impedance-frequency-response estimation based on the local polynomial method (LPM). The fast LPM version presented rejects the leakage error’s influence on the impedance frequency response when measuring electrical bioimpedance in a short time. The theory is supported by a set of validation measurements. Novel preliminary experimental results obtained from real-time in vivo healthy myocardium tissue impedance characterization within the cardiac cycle using multisine excitation are reported.

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 el presente trabajo se ha desarrollado el primer aptasensor (biosensor de aptámero) en nuestro grupo de investigación, Grup de Sensors i Biosensors de la Universidad Autònoma de Barcelona. En concreto se han desarrollado dos aptasensores para la detección de la proteína trombina, uno basado en la inmovilización de aptámeros por adsorción física, y otro basado en la inmovilización de aptámeros por enlace covalente mediante la reacción EDAC-NHS. El aptasensor utiliza la afinidad específica de la cadena de DNA (aptámero) por la proteína con la que interacciona. Los cambios de carga y estéricos del complejo aptámero proteína alteran la capacidad y la resistencia de transferencia interfacial de electrones en la superficie del electrodo. El principio de detección se basa en la detección de cambios de estas propiedades de interfase del electrodo con el marcador redox [Fe(CN)6]3- / [Fe(CN)6]4-, utilizando mediciones de Espectroscopia Electroquímica de Impedancia. El aptasensor basado en adsorción física del aptámero mostró una respuesta lineal a trombina en el rango de 7.5 a 75 pM y un límite de detección de 5pM, después de optimizar todas las condiciones experimentales. Posteriormente se estudió la especificidad del sistema respecto proteínas potencialmente interferentes presentes en suero sanguíneo, obteniendo cierta interferencia por parte de fibrinógeno e inmunoglobulina G, pero no por parte de albúmina. El sensor demostró ser regenerable mediante la ruptura del complejo formado entre el aptámero y la trombina con una solución de NaCl 2.0 M, aumento de la temperatura y agitación. El segundo aptasensor, basado en enlace covalente del aptámero mostró una respuesta lineal a trombina y limite de detección mejor que el anterior sensor; de 2.5 a 100 pM y 1.5 pM respectivamente. Aunque cabe destacar que este aptasensor está siendo optimizado actualmente.

The objective of this work is to measure the changes of electrical bioimpedance module and phase related to muscular fatigue. The results could also be interesting for medical diagnosis of leg oedema, related to heart diseases, or muscular lesions. With this purpose in mind we have done multifrequency bioimpedance measurements on volunteers to evaluate the change of the impedance due to some physical exercises with the leg and with the arm. In the case of the measures performed on the arm we have obtained an initial increase of the impedance module after the first three exercises. The change of the impedance module taken after the 5th exercise respect to the first measurement was significantly lower (p

This study involves the preparation and optimization of polymer inclusion membranes (PIMs) based on the polymer cellulose triacetate and the extractant (carrier) Aliquat 336 (a mixture of quaternary ammonium chlorides) for the transport of inorganic As species (arsenite and arsenate) from their aqueous solutions. The influence of the composition of the membranes on its extraction and transport properties was investigated. Better membrane performance was obtained when the membranes did not contain plasticizer and the concentration of the extractant was high. Under these conditions arsenate (As(V)) could be quantitatively separated from As(III) within 5 h even in the presence of common anions (i.e. chloride, phosphate, nitrate, sulfate and carbonate) often encountered in natural waters and industrial and domestic wastewaters.Electrical impedance spectroscopy measurements allowed the determination of the dielectric constant and conductivity values of the PIMs of interest. These results suggested that the extracted As(V) species was HAsO4 2- which was further transported across the membrane by a hopping mechanism, counter currently to the transport of the chloride anions present at a high concentration in the stripping solution.The overall performance of the proposed PIM in terms of stability, selectivity and permeability compared favorably to those of an Aliquat 336 based supported liquid membrane and a commercial multi-valent anion exchange membrane This work was supported by the Spanish Ministerio de Ciencia e Inovación, through Project (CTM2008-06847-C02 02/TECNO). R. Güell gratefully acknowledges a grant awarded by the University of Girona (Ref. BR06/10)

Como estrategias para contribuir en la sustentabilidad de la industria del concreto se está proyectando mejorar la durabilidad de las estructuras de concreto reforzado y el reemplazo parcial o total de sus ingredientes por materiales reciclables. En este estudio se evaluó la resistividad eléctrica y su relación con la microestructura y resistencia a la corrosión electroquímica de concretos reforzados fabricados con características de sustentabilidad, es decir, con agregados reciclados y materiales cementantes suplementarios. La resistividad eléctrica del concreto está íntimamente relacionada con la microestructura de la matriz cementante y con la estructura y distribución de poros. Por la naturaleza de sus ingredientes, es de suponerse que los concretos sustentables propuestos presentan diferente microestructura y porosidad que el concreto convencional, motivo por el cual se analizó la respuesta eléctrica y electroquímica de dichos sistemas mediante la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica.

Previous studies have proved that posttransplant cardiac rejection is associated with changes in endomyocardial electrical impedance in humans. The aim of this study is to develop a safe transoesophageal system able to measure cardiac electrical impedance in transplanted patients and to evaluate the capability of this technique to detect heart graft rejection in humans in order to reduce the number of repetitive biopsies. The impedance measurement is performed using a four wire configuration. We measured the impedance spectrum from 13 kHz to 1 MHz. The oesophageal ECG signal is used to evaluate the position of the catheter in the oesophagus with regard to the patient’s heart. So far measurements have been carried out on a group composed of 11 healthy volunteers (5 men) and 9 cardiac transplanted patients (7 men) with no histological signs of cardiac rejection. Impedance spectrum measurements at different locations in the oesophagus showed a decrease of the impedance magnitude with the increase of the depth of the catheter in the oesophagus (about 1 ohm/cm). The phase value does not show significant changes when changing the catheter’s position in the oesophagus. There are gender differences in the magnitude but not in the phase angle of the transoesophageal cardiac electrical impedance. Transplanted patients with no graft rejection show impedance values similar to that of healthy volunteers, suggesting that the surgical intervention does not affect the impedance measures. The oesophageal approach is safe and was considered for transplanted patients less annoying than the biopsy method. In consequence, if further results show a significant change of impedance in patients with cardiac rejection, a new lessinvasive clinical method to detect graft rejection can be envisaged.

Non-invasive single cell analyses are increasingly required for the medical diagnostics of test substances or the development of drugs and therapies on the single cell level. For the non-invasive characterisation of cells, impedance spectroscopy which provides the frequency dependent electrical properties has been used. Recently, microfludic systems have been investigated to manipulate the single cells and to characterise the electrical properties of embedded cells. In this article, the impedance of partially embedded single cells dependent on the cellular behaviour was investigated by using the microcapillary. An analytical equation was derived to relate the impedance of embedded cells with respect to the morphological and physiological change of extracellular interface. The capillary system with impedance measurement showed a feasibility to monitor the impedance change of embedded single cells caused by morphological and physiological change of cell during the addition of DMSO. By fitting the derived equation to the measured impedance of cell embedded at different negative pressure levels, it was able to extrapolate the equivalent gap and gap conductivity between the cell and capillary wall representing the cellular behaviour.

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.

This paper presents the characterization measurements of an implantable bioimpedance monitor with ZigBee. Such measurements are done over RC networks,performing short and long-term measurements, with and without mismatch in electrodes and varying the temperature and the RF range. The bioimpedance monitor will be used in organ monitoring through electrical impedance spectroscopy in the 100 Hz - 200 kHz range. The specific application is the study of the viability and evolution of engineered tissue in cardiac regeneration in an experimental protocol with pig models. The bioimpedance monitor includes a ZigBee transceiver to transmit the measured data outside the animal chest. The bioimpedance monitor is based in the 12 Bit Impedance Converter and Network Analyzer AD5933, improved with an analog front-end that implements a 4-electrode measurement structure and allows to measure small impedances. In the debugging prototype, the system autonomy exceeds 1 month when a 14 frequencies impedance spectrum is acquired every 5 minutes. The receiver side consists of a ZigBee transceiver connected to a PC to process the received data. In the current implementation, the effective range of the RF link was of a few centimeters, then needing a range extender placed close to the animal. We have increased it by using an antenna with higher gain. Basic errors in the phantom circuit parameters estimation after model fitting are below 1%.

Nanometric films of a thiomacrocyclic ionophore, 4-phenyl-4-sulfide-11(1oxodecyl)-1,7-dithia-11-aza-4-phosphacyclotetradecane (ThM), have been deposited on the surface of a Glassy Carbon Electrode (GCE) by the Langmuir-Blodgett (LB) technique. The films have been characterised by using AFM. The influence of these modified electrodes (GCE-ThM) on the reduction of Cu((II) ions has been investigated by using Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), and its sensor response has been checked. The CV and EIS responses of LB films on GCE indicate that these ThM films are sensitive to Cu (II) ions. The analysis by EIS of the interference of some other cations, as Mg(II) and Co(II), shows that LB films of ThM can be used for specific Cu(II) sensing applications.

En este trabajo describimos un immunosensor impedimétrico para la detección de pesticidas. Para demostrar dicho sensor hemos utilizado atrazina, como pesticida de test. Este sensor está basado en el uso de μ-electrodos interdigitados así como en reactivos específicamente desarrollados para la detección de este pesticida. Los anticuerpos utilizados no incluyen ningún tipo de etiqueta. Así mismo, el sensor no incluye ningún tipo de par redox que amplifique la señal. La detección immunoquímica de atrazina se alcanza mediante una reacción competitiva entre el antígeno tapizado y el pesticida por una pequeña cantidad de anticuerpo. Los cambios en la impedancia producidos por la inclusión de los bioreactivos son interpretados utilizando un circuito equivalente, el cual representa el sistema de manera fiable. La detección se monitoriza a partir de medidas impedimétricas diferenciales en un amplio espectro de frecuencia. El immunosensor muestra límites de detección en el rango de pocos ppb's, lo cual está muy por debajo del Maximum Residue Level (MRL) (50 μg L-1) establecido por la Unión Europea para los residuos de atrazina en uvas de vino así como en otros productos alimenticios. Aunque en este trabajo el immunosensor se ha demostrado para la atrazina, otros pesticidas podrían detectarse mediante este método siempre que se utilicen los reactivos adecuados.

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.

An alkyd formulation containing zinc phosphate (10 wt.%) was prepared and subsequently modified replacing the latter anticorrosive additive by a very low concentration of conducting polymer. Specifically, three modified paints, which contain polyaniline emeraldine base (undoped form), polyaniline emeraldine salt (doped form) and an eco-friendly polythiophene derivative (partially oxidized), were formulated. The properties and corrosion resistance of the four alkyd coatings have been characterized. Among the three modified paints, the one containing polythiophene shows the best adherence and the highest corrosion resistance. This has been attributed to the fact that the miscibility of the polythiophene derivative with the alkyd formulation is better than that of polyaniline. Furthermore, accelerated corrosion assays and electrochemical impedance spectroscopy measurements revealed that the corrosion resistance of the paint with polythiophene is several orders of magnitude higher than that with zinc phosphate. The polythiophene derivative has been found to induce the formation of a passivating and well-adhered layer between the coating and the surface, preventing the access of chloride anions and oxygen to the substrate.

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.

This article belongs to the Special Issue Antimicrobial Peptides and Peptidomimetics Bacterial infections represent a serious threat in modern medicine. In particular, biofilm treatment in clinical settings is challenging, as biofilms are very resistant to conventional antibiotic therapy and may spread infecting other tissues. To address this problem, biosensing technologies are emerging as a powerful solution to detect and identify bacterial pathogens at the very early stages of the infection, thus allowing rapid and effective treatments before biofilms are formed. Biosensors typically consist of two main parts, a biorecognition moiety that interacts with the target (i.e., bacteria) and a platform that transduces such interaction into a measurable signal. This review will focus on the development of impedimetric biosensors using antimicrobial peptides (AMPs) as biorecognition elements. AMPs belong to the innate immune system of living organisms and are very effective in interacting with bacterial membranes. They offer unique advantages compared to other classical bioreceptor molecules such as enzymes or antibodies. Moreover, impedance-based sensors allow the development of label-free, rapid, sensitive, specific and cost-effective sensing platforms. In summary, AMPs and impedimetric transducers combine excellent properties to produce robust biosensors for the early detection of bacterial infections. info:eu-repo/semantics/acceptedVersion

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.

© 2016. This version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ We have used impedance spectroscopy technique to monitor degradation mechanisms in organic solar cells based on a blend of PTB7:PC71BM. We have measured the impedance of the cell on a periodical basis for almost four months, and experimental data have been modeled using three different circuits. The evolution of the circuital parameters gives information about the device dynamical mechanisms. We have observed at high voltages a low frequency feature that is more pronounced along days of measurement. This low frequency arc has been associated to charge accumulation that is related to a worsening of charge extraction through the contacts. The simultaneous increase of recombination and low frequency resistances at high voltages (around V-oc) results in a decrease of the fill factor and therefore of the efficiency.

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.