Design and development of an instrument for the assessment of electrical impedance in living tissue

Bioimpedance allows living tissues characterization and detection of pathological states, e.g. cancer. Several methods, to assess bioimpedance have been previously proposed however instruments used in studies of living tissues characterization or cancer characterization are all commercial devices designed for the measurement of components or electronic circuits and not specifically designed for measurement of biological tissues, as they are affected by polarization. The aim of of the present work is to design, build and test an instrument capable of measuring the impedance of a living tissue that is representative of the local properties of a particular tissue, along a broad spectrum of frequencies and without causing polarization effect.The implemented device is a single chip: is able to measure the modulus and phase of the complex impedance of the tissue under examination, for each selectable frequency within a given range (10 Hz-10000 Hz). The obtained measurements, i.e. a broad spectrum of impedance measurements, is displayed on a graph through an ad-hoc software running on a PC. The new device here implemented has been compared to a commercial device (RLC 300 meters, DIGIMESS) by measuring the impedance of electronic components like resistances and RC circuits. The tests show that the new device works properly on this type of passive components and circuits in fact, in any case, statistically significant difference has not been detected between the two devices. Subsequently comparison between the new device and the commercial one was made using saline. The results showed that the new device is not influenced by polarization effects and allows to obtain for repeated measures a stable value, unlike the commercial device which obtain unstable measurements. The results allowed us to show that a device designed for electronic components is not suitable for the measurements performed on living tissues. Finally, a set of experiments were carried out on 7 different tissues extracted from 4 rabbits and analyzed within 1 hour after extraction. Statistical tests were then performed on the results of module and phase and these have allowed us to make some preliminary considerations: we observed how, within a single rabbit, it is possible to distinguish an organ compared to another. This result suggests that the instrument can be used to discriminate two different tissues which has different composition. The same test was performed considering the measures independently from the rabbit (after performing the appropriate independence test) by mediating all values of the same frequency of the different rabbits' tissues. This test demonstrated the possibility to distinguish different tissues, within the same rabbit. Finally we observe that, for any pair of tissues, discrimination is possible at least in one of the three frequency range, and that in the frequency range between 100 Hz and 1000 Hz is always possible to perform the discrimination between all pairs of tissues. This result allows us to hypothesize that each tissue is characterized by specific values of electrical impedance for each frequency, a sort of “electric fingerprint” which characterizes every tissue in relation to its composition. In addition, it can be assumed that different tissues can be better discriminated at certain frequencies rather than other. In conclusion the thesis work provides a new instrument designed and developed specifically for bioimpedance. Future perspectives are the use of the methods here proposed for improving electric models, developing new models of pathological tissues (cancer) or study how the bioimpedance change during the evolution of some pathology.

INTRODUZIONE: Le proprietà elettriche di un tessuto biologico, misurate quando una corrente scorre al suo interno sono espresse dalla bioimpedenza.Le cellule sono le unità di base dei tessuti viventi e la loro struttura di base determina l'impedenza elettrica dei tessuti da pochi Hz fino a decine di MHz.Esistono vari metodi e molteplici campi di utilizzo della misura della bioimpedenza tra i quali la caratterizzazione dei tumori e la classificazione dei tessuti. In letteratura esistono diversi studi sia per quanto riguarda i tumori sia per quanto riguarda i tessuti e dall'analisi di questi lavori è emerso che gli strumenti utilizzati in questi lavori sono tutti dispositivi di tipo commerciale progettati per la misura dell'impedenza di componenti o circuiti elettronici non appositamente costruiti per la misura su tessuti viventi, infatti risultano essere affetti da fenomeni di polarizzazione. Per questa ragione, l'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di progettare, costruire e testare un dispositivo per la misura dell'impedenza elettrica di tessuti viventi, lungo un ampio spettro di frequenze e senza causare effetti di polarizzazione. PROGETTAZIONE: Il dispositivo è stato realizzato su un unico chip grazie all'utilizzo del sistema di sviluppo PSoC il quale contiene al suo interno blocchi analogici e digitali configurabili. La progettazione del dispositivo ha riguardato lo sviluppo dell'hardware, del firmware e di un software di visualizzazione grafica realizzato utilizzando l'interfaccia grafica (GUI) di MATLAB. Il dispositivo finito è in grado di misurare il modulo e la fase di una impedenza complessa data dal tessuto esaminato. Utilizzando una sonda ad ago di tipo coassiale, una corrente alternata, con caratteristiche note (modulo e fase) e con frequenza impostabile dall'utente, viene “iniettata” nel tessuto e attraverso la stessa sonda, la tensione che si genera viene campionata attraverso degli ADC già presenti sul PSoC. Utilizzando un opportuno metodo di ricostruzione, l'algoritmo di Sine-Fit, vengono calcolati i parametri analitici che permettono di ricostruire la tensione campionata. Conoscendo quindi le caratteristiche della corrente iniettata e della tensione generatasi è possibile calcolare il modulo e la fase dell'impedenza complessa del tessuto in esame. L'elaborazione completa ha una durata che va dai 5 ∙ 10-4 sec fino ai 0.5 sec, a seconda della frequenza alla quale avviene l'analisi, al termine dei quali il dispositivo produce una corrente uguale ma in direzione opposta a quella generata precedentemente ottenendo un flusso di carica netto pari a zero, in questo modo viene evitato il fenomeno della polarizzazione. I risultati ottenuti, cioè un ampio spettro di misure di impedenza, vengono inviati mediante una porta seriale ad un PC dove possono essere visualizzati graficamente e salvati su opportuni file attraverso un software realizzato ad-hoc. TEST STRUMENTALI E PROVE SPERIMENTALI: Il nuovo strumento è stato testato mettendolo a confronto con un dispositivo commerciale per misure di impedenza elettrica (RLC 300 meters, DIGIMESS) andando a comparare le misure effettuate con i due strumenti su componenti elettroniche reali (resistenze, circuiti RC) sulle quali i due dispositivi hanno dato risultati statisticamente non differenti. Un'ulteriore comparazione è stata eseguita misurando l'impedenza di soluzione fisiologica. Le misure fatte con il nuovo dispositivo hanno prodotto risultati stabili e non affetti da polarizzazione, mentre le misure eseguite con il dispositivo commerciale (uno strumento non progettato per la misura di tessuti viventi) ha mostrato misure instabili e affette da problemi dovuti alla polarizzazione. Oltre a non presentare problemi di polarizzazione il nuovo dispositivo è in grado di eseguire la misura a quasi tutte le frequenze (tra i 10 Hz e i 10000 Hz) mentre il dispositivo commerciale solo a 50Hz, 100 Hz, 1000 Hz, 10000 Hz. Infine ci sono grosse differenze di dimensione tra i due dispositivi. Sono state eseguite poi ulteriori misure su delle soluzioni di acqua e NaCl a diverse concentrazioni (0.01 M, 0.05 M, 0.09 M) che poi sono state messe a confronto con i pochi dati presenti in letteratura. Infine è stata misurata l'impedenza complessa di 7 tipi di tessuto vivente (cuore, fegato, grasso, muscolo, milza, polmone, rene) prelevati da 4 conigli adulti (3,605 kg ± 0.243 Kg) ed analizzati 'ex-vivo' entro un ora dal prelievo. I risultati delle misure di modulo e fase su ciascun tessuto analizzato per ogni coniglio sono stati mediati e riportati su dei grafici dove vengono esposti i risultati per ciascun coniglio. Dei test statistici sono stati eseguiti mettendo a confronto i valori di modulo e fase: è emerso che sullo stesso coniglio è possibile distinguere la maggior parte dei tessuti e che considerando la misura indipendentemente dal soggetto e combinando insieme i valori di modulo e fase vi è la possibilità di distinguere i vari tessuti in particolar modo nel range di frequenze comprese tra 100 Hz e 1000 Hz. CONCLUSIONE I risultati ottenuti dalle prove strumentali hanno dimostrato l'ottima efficienza e funzionalità del nuovo dispositivo grazie al confronto con un dispositivo commerciale. I risultati delle prove vanno ad ampliare i dati presenti in letteratura di misure di bioimpedenza, che sono scarse ed affette da errori a causa dell'utilizzo di sistemi di tipo commerciale progettati non per la misura di impedenza elettrica di tessuti viventi ma di componenti elettroniche. Il nuovo strumento è stato progettato invece per eseguire misure di impedenza elettrica su differenti tipi di tessuto con l'obiettivo di caratterizzarne uno rispetto ad un altro, eseguendo la misura lungo un ampio spettro di frequenze ottenendo una sorta di “impronta digitale elettrica” caratteristica di ciascun tipo di tessuto. I risultati delle prove sperimentali, infatti, hanno dimostrato come sia possibile discriminare alcuni tessuti rispetto ad altri. Visti inoltre i risultati sui singoli conigli è ipotizzabile che lo strumento possa essere utilizzato non solo per caratterizzare tessuti sani rispetto ad altri tessuti sani, ma per discriminare lo stesso tessuto affetto o meno da una patologia o l'evolversi nel tempo della patologia stessa. Grazie a questo tipo di misure potrebbe essere possibile derivare modelli elettrici complessi per la descrizione di un particolare tessuto. In futuro il dispositivo potrebbe essere utilizzato oltre che come strumento diagnostico, per una prima caratterizzazione di tessuti “sospetti” durante esami endoscopici o per confermare l'inserimento di un ago da biopsia nel target anatomico desiderato evitando di produrre falsi negativi durante i successivi esami istologici.