A bioimpedancia-spektroszkópia fejlődése a hordozható eszközök innovációjának motorja
A bioimpedancia-spektroszkópia felhasználásával a tudósok és az orvosok mostantól nyomon követhetik a transzdermális (bőrön keresztüli) alkalmazások segítségével történő gyógyszeradagolás hatékonyságát és farmakokinetikáját. Ez a cikk részletesen megvizsgálja, hogyan működik ez a technológia – az alapelvektől az emberi bőrszövet jellemzőin át a hordozható monitorozó eszközök megvalósításához rendelkezésre álló technológiákig.
Mi az a bioimpedancia-spektroszkópia?
Az impedanciaspektroszkópia egy olyan mérési technika, amelyet egy általános közeg elektromos tulajdonságainak jellemzésére használnak. Az impedanciát, vagyis a váltakozó áram áramlással szembeni ellenállását méri a frekvencia függvényében, ami gyors és költséghatékony betekintést nyújt az egyébként nehezen értékelhető anyagjellemzőkbe. Az impedanciamérés két mérhető mennyiség, a feszültség és az áram arányán alapul. Az impedancia méréséhez a rendszert elektromos potenciál alkalmazásával kell megzavarni. Erre a perturbációra két lehetőség van: a) váltakozó áramú gerjesztő feszültség használata és váltakozóáram-válasz mérése; b) váltakozó áramú gerjesztő áram használata és váltakozófeszültség-válasz mérése. Ha az alkalmazott feszültség vagy áram kis jel, a rendszer lineárisnak tekinthető. A válaszjelben nincs frekvenciaeltolódás. Ez azt jelenti, hogy az összes váltakozó mennyiség lineárisan összefüggésbe hozható és leírható csak az amplitúdójuk (azaz a nagyságuk) és a fázisuk által, tehát jól ábrázolhatók komplex számokkal a frekvenciatartományban.
Számos fizikai rendszer jellemezhető impedanciamintázatával, amelynek mérési módszerét általánosságban elektrokémiai impedanciaspektroszkópiának (EIS) nevezik. Az EIS-t számos felhasználási esetben alkalmazzák, többek között elektrokémiai cellák (akkumulátorok) mérésére, gáz- vagy folyadékérzékelésre, valamint biológiai szövetek elemzésére. Ez utóbbit bioimpedancia-spektrometriának is nevezik, és egy élő szervezet vagy annak egy részének a külsőleg alkalmazott elektromos áramra adott válaszát írja le.
Az elmúlt évtizedben a bioimpedancia-spektroszkópia népszerűvé vált néhány hagyományos alkalmazásban, mint például az emberi testösszetétel elemzése, a hidratáció mérése, a galvanikus bőrválasz (GSR) vagy az elektrodermális aktivitás (EDA). Ezeken kívül van egy sor új, innovatív, feltörekvő technika, amelyek a bioimpedancia-koncepciókat a farmakodinamikára alkalmazzák. E legújabb téma egyik ígéretes kutatási iránya a gyógyszeradagolás elemzéséhez kapcsolódik.
A bioimpedancia-spektroszkópia egyik figyelemre méltó felhasználási területe a farmakodinamikán belül a gyógyszerek biohasznosulásának nem invazív, valós idejű nyomon követése a transzdermális beadást követően.
Mi a TMD?
A transzdermális gyógyszeradagolás (TMD) módszerével a gyógyszerkeverék ép bőrön keresztüli alkalmazása történik, amelynek számos előnye van a gyógyszerbevitel más hagyományos módjaival szemben. Nem invazív, fájdalommentes és szisztémás, elkerülve a tűszúrásokkal, illetve a helyi érzéstelenítést igénylő invazívabb biopsziákkal kapcsolatos összes problémát. A TMD részleges negatív nyomást gyakorol a bőrfelület nagy és egészséges részére, megszakítva a hám-bőr kapcsolódási pontot, ezáltal egy hólyagot képezve, amely fokozatosan megtelik intersticiális folyadékkal és szérummal. A gyógyszer behatol a hám különböző rétegeibe, áthalad a szarurétegen – a bőr legkülső rétegén –, és eléri a belső szöveteket anélkül, hogy a köztes rétegekben felhalmozódna. A szisztémás felszívódás akkor következik be, amikor a gyógyszer eléri a bőr belső rétegét, és a bőr mikrocirkulációján, az ereken keresztül hatni kezd. A lokális és TMD módszereknek van néhány előnyük a szisztémás beadási módokkal szemben. Ezek a módszerek egyenletesebb és simább gyógyszerbeviteli profilokat kínálnak, amelyek a gyógyszer-koncentrációs csúcsok elkerülése révén csökkentik a toxikus mellékhatások kockázatát. Végül, ez a technika minimalizálja a szisztémás felvételt, és a hatást a beadás helyére koncentrálja.
A bőrpermeáció lehetővé tételére és a farmakológiai vegyület bőrön keresztüli szállításának megkönnyítésére a TMD-ben számos különböző fizikai elvet használnak: kémiai erősítőket, diffúziót, abszorpciót, hőenergiát, rezgési energiát (ultrahang), elektrosztatikus erőt (elektroforézis) vagy elektromos teret (iontoforézis), sőt rádiófrekvenciás energiát is. A szonoforézis ultrahangot használ a helyi hatóanyag-bevitelhez, a szarurétegtől az epidermiszig (felhám) és a dermiszig (irha) történő szállításra. Másrészt az iontoforézis és az elektroporáció a bőrt a gyógyszerek számára átjárhatóvá teszi azáltal, hogy alacsony, illetve magas feszültséggel impulzusos elektromos mezőket hoz létre, amelyek megnyitják a sejtmembránok kettős foszfolipid rétegét.
Mindezek a technikák lehetővé teszik a különböző gyógyszerek bejuttatását a biológiai szövetek megsértése nélkül. E módszerek közül néhányat már szabványosítottak a mindennapi klinikai alkalmazásokban, mint a hormonterápia, a fogamzásgátlás vagy például az opioid analgézia kezelésére szolgáló tapaszok és ultrahangos adagolórendszerek, míg mások egyelőre csak laboratóriumi tesztvizsgálatok során bizonyították hatékonyságukat. Napjainkban az orvosi kutatás minden eddiginél nagyobb felhajtást („hype”-ot) él át a vakcinázási célú, egyszerű, tű nélküli rendszerek kifejlesztésére összpontosítva.
Mivel az impedanciamérés a beadott gyógyszer mennyiségének kimutatására minimálisan invazív módszer, tökéletesen illeszkedik a nem invazív TMD technikához. Ez szemben áll a hagyományos módszerekkel, amelyek tűket vagy invazívabb elemzési technikákat igényelnek.
A TMD-re alkalmazott bioimpedancia-analízis az orvoskutatók számára vizsgálati stratégiák széles körét kínálja, beleértve például az inzulinbevitel nyomon követését cukorbetegeknél.
Az EIS mérésben részt vevő impedanciák
Az emberi testre alkalmazott elektromos mérés megfelelő értelmezéséhez a test különböző szakaszainak elektromos modellezésén keresztül kell haladni. Minden egyes modell legelemibb részéig visszamenőleg meg kell határozni a biológiai szövetek ellenállását. A biológiai szövetet első közelítésben réteges elektrolitnak tekinthetjük, amely sűrűn tömörített sejteket tartalmaz, amelyek ionos vezetőképességgel és dielektromos relaxációs jelenségekkel jellemezhetők. Ennek oka, hogy a szervezetben az elektromos vezetőképesség mechanizmusában ionok, mint töltéshordozók vesznek részt. Számos jellemzés azt mutatja, hogy az emberi testre alkalmazott egyenáram az extracelluláris (sejten kívüli) folyadékokon (ECF) keresztül áramlik. Ha az áram spektrális tartalma nagyfrekvenciás komponensekkel gazdagodik, akkor az áram mind az ECF-en, mind az intracelluláris (sejtet kitöltő) folyadékon (ICF) keresztül is áramlik.
1. ábra Az emberi test szöveteinek elektromos vezetőképessége
Első megközelítésben az emberi test viselkedését utánzó elektronikus áramkör úgy modellezhető, mint egy Ri ellenállás (sejten belüli ellenállás) és egy kondenzátor (a sejtmembrán kapacitása) soros kapcsolása, mindez párhuzamosan egy másik Re ellenállással (sejten kívüli ellenállás), amint az a 2. ábrán látható. Az emberi test impedanciatartománya alacsony frekvenciákon (kb. 1 kHz) 10 kΩ-tól 1 MΩ-ig, magas frekvenciákon (kb. 1 MHz) pedig 1 kΩ-tól 100 Ω-ig terjed.
2. ábra A biológiai szövet ekvivalens modellje sejtléptékben
A biológiai alapszövettől a test makroszkopikus struktúrái felé haladva az impedancia spektrumának érdekes része változhat; így az EIS-mérés gerjesztési frekvenciája az orvosi alkalmazás és a vizsgálandó testrész függvényében változik.
Az emberi bőr három fő rétegre tagolható: epidermisz (felhám), dermisz (irha) és hipodermisz (bőralja). A felhám a külső környezetnek a szarurétegen keresztül kitett külső réteg. Minden rétegnek megvan a maga egyenértékű elektromos modellje, amelynek impedanciája tükrözi az egyikről a másikra történő sajátos változásokat. Az emberi bőr modellezése valóban nagyon nehéz és összetett művelet, mivel mind az egyének, mind az egyének időbeli változása (életkor, hidratáltság, évszak stb.) miatt rendkívül változatos. Mindennek megfelelően számos különböző bőrimpedancia-modellt javasoltak különböző kutatók. A három legnépszerűbb modell a bőr hierarchikus szerkezetét figyelembe véve megtervezett és RC réteges modellként besorolt Montague, Tregear és Lykken (lásd a 3. ábrát). Ezek közül a Montague által javasolt háromelemes modell a legelterjedtebb, mivel egyszerű, intuitív és könnyen szimulálható. Népszerűségét a könnyű szimulálhatóságának, intuitív jellegének köszönheti, és lehetővé teszi az egyösszegű paraméterek elemzését.
3. ábra Az emberi bőr három fő RC rétegmodellje: (a) Tregear, (b) Lykken és (c) Montague
4. ábra Egy egyszerűsített Montague-modell impedanciája és annak függése az elektromos paraméterek varianciájától
Tipikus tartományok: RSC = 104 ÷ 106 Ω cm2, RS = 100 ÷ 200 Ω cm2 és CSC = 1 ÷ 50 nF/cm2.
Az impedanciaanalízis TMD-re történő alkalmazásának legfontosabb szempontja, hogy egy anyag befecskendezése az élő anyagba megváltoztatja magának a szövetnek az impedanciáját a beadott vezető anyag mennyiségének függvényében. Ezt követően kulcsfontosságú paraméter az impedancia időbeli és térbeli változása, amelyet az orvosi alkalmazásokban mérni és korrelálni kell a beadott gyógyszer mennyiségével, hogy értékelni lehessen a nedvesség megfelelő behatolását a szövetbe a transzdermális injekció beadása után.
5. ábra Emberi bőrrétegek keresztmetszetben TMD-vel és bioimpedancia-méréssel
Tekintettel a bioimpedancia-elemzés nem invazív jellegére, két fémelektróda jelenti az elektromos átalakítókat, amelyek az analóg front end (AFE) elektromos áramköreit és a páciens bőrét összekötik. Ez a fém-nemfém érintkezési pont egy további kritikus szakaszt jelent, amely a teljes elektromos áramkört alkotja, és amely összeköti az AFE-t és az emberi test elektromos modelljét. A töltéshordozók (az elektródákban lévő elektronok és a testben lévő ionok) közötti kölcsönhatás jelentős hatással lehet ezeknek az érzékelőknek a teljesítményére, és minden alkalmazásnál speciális megfontolásokat igényel. Először is, az ionos oldattal érintkező fém kölcsönhatása a fémfelület közelében az oldatban lévő ionok koncentrációjának helyi változását eredményezi. Ez a jelenség az elektróda alatti területen a töltéssemlegesség megváltozását okozza, ami miatt a fémet körülvevő elektrolit az oldat többi részétől eltérő elektromos potenciálon van, így a fém és az elektrolit nagy része között egy potenciálkülönbség, az úgynevezett félsejtpotenciál jön létre. Másodszor, a befecskendezett áram egyenáramú komponense hozza létre az elektróda polarizációját.
1. táblázat Különböző elektródatípusok és a hozzájuk tartozó félsejtpotenciálok
Ez a további nemkívánatos jelenség csökkenti az elektróda teljesítményét. Ezek a megfontolások arra utalnak, hogy az elektródák esetében is szükség van egy megfelelő elektromos modell meghatározására (lásd a 6. ábrát). A száraz elektródát három soros elemmel rendelkező áramkörként ábrázolhatjuk: egy egyenáramú forrás, amely a félsejtpotenciált (EHC), egy párhuzamos RC-cella (Rd||Cd), amely a fém és a nem fém (az emberi test) közötti kapcsolatot modellezi, valamint egy ellenállás (Rs), amely az elektróda fémének ellenállását modellezi.
6. ábra Egy általános száraz elektróda egyenértékű áramköre
Az elektródák más típusai más elektromos modellekkel rendelkeznek. A nedves elektródák például egy további RC párhuzamos cellát igényelnek, amely a gél vezetőképességi impedanciáját képviseli, amely paraméter kritikus lehet, mivel hajlamos fokozatosan behatolni a páciens bőrébe, ami idővel az impedancia fokozatos csökkenését határozza meg, így a mérés sodródását eredményezi. Ez nem jelent problémát a szigetelt elektródák esetében (tiszta váltakozó áramú méréseknél), ahol a félsejtpotenciált az elektróda és a bőr közötti kapacitív rést (Cgap) modellező kapacitással helyettesítjük. A szigetelt elektródák egy változata megtalálható a nem érintkező elektródáknál, ahol az elektróda felületén egy további pamutréteget használnak, amely egy további RC párhuzamos cellaként ábrázolható (lásd a 7. ábrát).
7. ábra A különböző elektródatípusok egyenértékű áramköre
A megfelelő elektródamodell és a biológiai szövet elektromos modelljének kombinálásával az AFE-vel összekapcsolt teljes áramkör ábrázolása a 8. ábrán látható.
8. ábra Nedves elektróda és emberi bőr egyenértékű áramköre
EIS a TMD-ben
A modellezés eredményeként kapott egyenértékű áramkör komplex impedanciaspektrumot mutat, amely pontos EIS-mérővel mérhető, egy olyan elektronikus eszközzel, amely néhány évvel ezelőttig egy közepes méretű, kifinomult laboratóriumi műszerből állt, ma pedig egy kompakt meter-on-chip megoldásba integrálható. Ilyen az EIS AFE AD5940, vagy MAX30009, mindkettő az Analog Devices cégtől.
Ezek az eszközök lehetővé teszik a bioimpedancia EIS rendszer extrém integrálását egy hordozható eszközbe, amely képes a beteg bőre alatt lévő biológiai szövet impedanciaspektrumának rögzítésére, értékelve a bőrön keresztül bevitt gyógyszer mennyiségét a TMD-n keresztül történő beadás előtt és után.
Az ilyen EIS-rendszerek az impedancia nagyságát és fázisát egyaránt képesek értékelni a teljes spektrumban, de laboratóriumi vizsgálatok kimutatták, hogy a nagyság a legjelentősebb paraméter, mivel a fázist a hatóanyag mennyiségének függvényében alacsony linearitás és monotonitás befolyásolja. Másrészt a beadott gyógyszer mennyisége lineáris kapcsolatban áll a beadás előtti és utáni impedanciaváltozással. Jellemzően a lineáris összefüggés a korábbi megfelelő kalibrálással érhető el.
Mivel a biológiai szövetek elektromos vezetőképessége jelentősen megváltozik bizonyos jellemzőktől, például a bőr vastagságától vagy a szaruréteg hidratáltsági állapotától függően, elengedhetetlen, hogy a bioimpedancia-elemzés reprodukálható legyen a vizsgált szövetek jellemzésére minden egyes TMD-kezelés előtt, akár ugyanazon a páciensen is. Ezenkívül a jellemzés fontos a nedves elektródákba idővel behatoló gél okozta sodródás miatti hibák elkerülése érdekében. Mint már említettük, valójában az elektrolitgélben lévő ionok magas koncentrációja jelentősen befolyásolja a szöveti vezetőképességet, ami a mérés rövid távú instabilitását eredményezi, ami magának az impedanciának a folyamatos monitorozásával megelőzhető.
Bioimpedancia AFE megoldások: AD5940 és MAX30009
Az ADI többféle megoldást is kínál a TMD hordozható alkalmazásokat célzó bioimpedancia-mérő eszköz tervezéséhez. Elvileg két fő módszer lehetséges a bioimpedancia mérésére: feszültséggerjesztés és áramgerjesztés. Az első módszer során a vizsgált szövetre változó feszültséget kapcsolunk, és a keletkező áramot mérjük, míg a második módszer ennek ellenkezőjét teszi, amikor áramot kapcsolunk, és a keletkező feszültséget mérjük. A feszültséges módszer könnyen megvalósítható az AD5940-nel, míg az áramos módszerrel működő rendszer a MAX30009 segítségével tervezhető.
Az AD5940 egy nagy pontosságú, kis teljesítményű, hordozható EIS alkalmazásokhoz tervezett AFE, amely két gerjesztési hurokból és egy közös mérési csatornából áll. A két hurok mindegyike 12 bites DAC-okkal rendelkezik, amelyek célja gerjesztő jelek előállítása, az egyik DC-től 200 Hz-ig, a másik pedig 200 kHz-ig. Mindegyik DAC rendelkezik egy gerjesztési pufferrel, amelynek kettős kimenete a kapcsolódó potenciosztát nem invertáló bemenetét és a transzimpedancia-erősítők (TIA) nem invertáló bemenetét vezérli, amely az áramot úgy méri, hogy feszültséggé alakítja át. A digitális hullámforma-generátor szinuszos, trapéz- és négyzetes hullámformákat képes létrehozni. Mind a gerjesztő feszültség, mind a keletkező áram (amelyet a TIA-k feszültséggé alakítanak át) mérhető a bemeneti csatornákon keresztül, amelyek egy bemeneti analóg multiplexert (mux) táplálnak, amely egy szekvenciális közelítő regiszterhez (SAR) csatlakozik, és 16 bites, 800 ksps felbontással rendelkezik. Az ADC-ből érkező adatfolyamot számos módon lehet utófeldolgozni, beleértve az integrált programozható digitális szűrőket (sinc2, sinc3), 50 Hz/60 Hz a tápellátás elnyomását, a programozható statisztikákat a minimum, maximum, átlag és variancia automatikus kiszámítására, vagy ami még fontosabb, egy komplex impedanciamotor, egy diszkrét Fourier-transzformáció (DFT) beágyazott DSP gyorsító, amely képes a mért impedancia valós és képzetes komponenseit is megadni, csökkentve a gazdamikrokontroller számára szükséges feldolgozási terhelést.
A MAX30009 egy teljes, integrált adatgyűjtő rendszer bioimpedancia-elemzéshez és spektroszkópiához (BioZ), amelyet kifejezetten hordozható orvosi alkalmazásokhoz és viselhető eszközökhöz terveztek. A 10. ábrán látható BioZ rendszer elsősorban egy adó (Tx) csatornából, egy vevő (Rx) csatornából és egy bemeneti/kimeneti multiplexerből áll. Az AD5940-től eltérően a MAX30009 adócsatornái közvetlenül testáramot injektálnak egy független ingeráram-generáló áramkörön keresztül. Az árambefecskendező elektródák bipoláris (két elektróda) vagy tetrapoláris (négy elektróda) formában is konfigurálhatók. Az ingerületátviteli csatornát egy belső szinuszos áramgenerátor hajtja, amely programozható, és képes váltakozó áramot injektálni a test bőrébe a frekvenciák (16 Hz-806 kHz) és áramnagyságok (16 nA rms, maximum 1,28 mA rms) széles tartományában, és lehetővé teszi, hogy a készüléket a bőrimpedancia-méréseken kívül a BioZ alkalmazások különböző tartományaiban is lehessen használni, például a szív teljesítményét és a stroke térfogatát figyelő impedancia-kardiográfiában (ICG), vagy az impedancia-pletizmográfiában (IPG) és az automatizált külső defibrillátor (AED) testimpedanciájában.
9. ábra Egy AD5940 bioimpedancia-mérés egyszerűsített diagram-feszültséggerjesztési módszere
10. ábra A MAX30009 bioimpedancia-mérés egyszerűsített diagram-áramgerjesztési módszere
A vételi csatorna nagy pontossággal méri a megfelelő feszültséget a nagy bemeneti impedanciának, a magas közös módusú elnyomási aránynak (CMRR) és az alacsony zajszintnek köszönhetően. Míg az AD5940 egy DFT hardveres gyorsítót integrál az impedancia valós és képzetes részeinek kiszámításához az ADC digitális kimeneti adataiból, addig a MAX30009 egy I/Q demodulátort használ a fogadott analóg jel I/Q komponenseire való felosztásához (az ingerlő jellel fázisban és kvadratúra-fázisban), amely 0,1%-os pontosságú ellenállás- és reaktancia-mérési képességet kínál. Az így kapott két jelet ezután egy programozható erősítőbe, különböző választható alul- és felüláteresztő szűrőkbe táplálják, majd végül két nagy felbontású 20 bites ∑Δ ADC-n keresztül digitálisra konvertálják. A fejlett diagnosztikai és kalibrációs funkciók lehetővé teszik a felhasználó számára a megfelelő vezetékcsatlakozások ellenőrzését, és különböző önellenőrzési készleteket kínálnak.
Az elektródákba injektált nagy tranziensek a lágy bekapcsolási szekvenciának köszönhetően elkerülhetők.
Következtetés
Mind a diagnosztikai, mind a terápiás alkalmazásokban alapvető fontosságú, hogy a betegnek beadott gyógyszer mennyiségét nyomon lehessen követni. Az adott gyógyszer beadásának egyik legolcsóbb és legkevésbé invazív technikája a TMD, és jelenleg számos terápiás vegyület esetében alkalmazzák. Az elektrokémiai spektroszkópiai technikák lehetővé teszik a bőrön keresztül átjutott gyógyszer mennyiségének mérését a beadás előtt és után, lehetővé téve mind a gyógyszer biohasznosulásának, mind a farmakodinamikának a nyomon követését. A piacon már kapható új generációs meter-on-chip eszközöknek köszönhetően, mint például az ADI AD5940 és MAX30009, a bioimpedancia mérése már nem korlátozódik a klinikai laboratóriumi környezetre, hanem alacsony költségű, hordozható megoldásként bármely diagnosztikai és terápiás környezetben elérhetővé tehető.
Szerző: Fulvio Bagarelli – Technikai vezető, Analog Devices
|
A szerzőről
|
További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.
Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail:
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com
