Estudio y desarrollo de resonadores de microondas para sensado no invasivo

Abstract

En el rango de frecuencias de las microondas, la forma en la que un material interactúa con radiación electromagnética se encuentra directamente relacionada con su composición a nivel molecular. Gracias a ello, es posible emplear un dispositivo electrónico que genere una onda electromagnética y mida sus cambios al interactuar con el material, para inferir indirectamente algunas de sus propiedades. Esto podría ser de utilidad para determinar la presencia o concentración de algún componente en una solución. Las aplicaciones de este fenómeno son variadas en los ámbitos industrial, biomédico, sanitario, ecológico y energético. Una aplicación de especial interés es la medición no invasiva de la glucemia (concentración de glucosa en sangre) de una persona.

En los últimos años se han publicado trabajos científicos proponiendo sensores de microondas con diferentes técnicas, topologías y tecnologías, buscando detectar la concentración de un soluto en una solución acuosa. Algunos de ellos han incursionado en la medición de glucosa en soluciones salinas que se asemejen a la composición química del tejido sanguíneo. Se ha encontrado que efectivamente la glucemia tendría un efecto eléctrico, el cual sería medible con un sensor de este tipo. Sin embargo, las soluciones salinas de prueba no necesariamente representan el comportamiento verdadero del tejido sanguíneo in-vivo, dado que el principal efecto de la glucosa es sobre las células vivas del cuerpo humano, y la mayoría de estos trabajos no han realizado pruebas en humanos para validar las propiedades de sus sensores. Además, la mayoría de estos dispositivos usan tecnologías planares, vulnerables a errores por leves desplazamientos del sensor en contacto con la piel. En esta aplicación, los resonadores de cavidad constituyen un nicho tecnológico inexplorado en la literatura y en el mercado, y que podría presentar alto potencial para el diseño de sensores de alta precisión y resolución. Es de interés avanzar el conocimiento en este campo de estudio, pues el sensado de concentración de una solución puede tener aplicaciones importantes industriales y sanitarias, por ejemplo, para la detección de contaminantes en agua. En el caso particular de la glucosa en sangre, la posibilidad de medición no invasiva traería múltiples beneficios al estado de salud promedio de la población, especialmente a aquellas personas que padecieren de diabetes.

La diabetes es una enfermedad que afecta a más del 10% de los adultos del mundo, un porcentaje que ha aumentado en los últimos años. Las personas que padecen esta enfermedad deben realizar controles de la concentración de glucosa existente en su sangre, en forma diaria, para procurar mantener valores normales y prevenir complicaciones graves de salud. El método de medición comúnmente utilizado es invasivo, ya que implica la extracción de una gota de sangre, lo cual produce molestias. Esto lleva a los pacientes a reducir la frecuencia del monitoreo, contrariamente a lo recomendado por los especialistas, poniendo en riesgo su salud. De ser posible la medición en forma no invasiva, eliminando la molestia involucrada, se incrementaría la rigurosidad del régimen de control de glucemia de estas personas. También fomentaría la extensión del monitoreo regular de la glucosa en sangre a personas sin diabetes, que busquen simplemente mejorar sus hábitos alimenticios y de actividad física para evitar desarrollar diabetes en el futuro.

En este trabajo se presenta el desarrollo de sensores electromagnéticos para la caracterización de una muestra y la medición de concentración de un componente allí presente. Las microondas emitidas por el sensor pueden penetrar en las muestras sin dañarlas, obteniendo información sobre las propiedades electromagnéticas de los materiales en su interior. Contrario a las tendencias del estado del arte, se orienta el estudio de los sensores a las cavidades resonantes, para reducir errores de posicionamiento e incrementar la sensibilidad y precisión. Además, se evita el uso de una solución salina para la simulación del cuerpo humano, prefiriendo la síntesis de un modelo de capas en el que se incluyan los tejidos biológicos y sus propiedades electromagnéticas. Para informar resultados en base al desempeño real, se implementan los dispositivos diseñados y se determina su validez como sensores a partir de pruebas de laboratorio y ensayos con voluntarios en contexto clínico.

En primer lugar, se diseñó un sensor para la caracterización de soluciones acuosas, contenidas en un tubo de ensayo. En pruebas de laboratorio, el sensor construido resultó más sensible a la concentración de alcohol etílico en agua que otros dispositivos comparables encontrados en la literatura. También se probaron soluciones con sales, permitiendo utilizar las diferentes variables de resonancia para medir su concentración. El buen desempeño del sensor desarrollado permitiría continuar con su estudio en una línea de investigación aparte, proponiendo aplicaciones futuras en el área de la biorremediación. Adicionalmente, se pudieron extender las conclusiones de la investigación con soluciones acuosas al problema de la medición no invasiva de glucemia, para construir otra cavidad resonante, acondicionada a este problema particular. En el sensor resultante, una persona introduce un dedo de la mano en un molde plástico, y la medición se realiza en unos cinco segundos. Las microondas son afectadas por la presencia de dicho dedo, en una cantidad que es dependiente del comportamiento electromagnético neto de todos los tejidos internos al dedo, incluyendo el sanguíneo. De esta manera, midiendo los cambios en la condición de resonancia, se infiere la concentración de glucosa en sangre luego de un proceso de calibración. En una fase inicial de pruebas clínicas se encontró que casi el 80% de los usuarios obtuvieron respuestas dentro de los valores esperados con un coeficiente de correlación promedio de 55%. En pruebas ambulatorias extendidas posteriores, se logró que los voluntarios utilizaran en forma diaria el medidor propuesto. Se observó que, en situaciones de uso prolongado, un sistema de aprendizaje automático permitió que la glucemia medida con el sensor no invasivo propuesto se acerque a los valores reales, incluso en un voluntario que no había registrado respuesta dentro de los valores esperados durante la fase clínica. En otro caso, en que el usuario era un voluntario con diabetes, el sensor no invasivo calibrado permitió medir la glucemia con un error menor al 20% en el 100% de las mediciones realizadas, lo cual es comparable con medidores comerciales invasivos. Mail del autor Ramiro Avalos Ribas <avalosribas@fi.mdp.edu.ar>