descripción de la solución propuestabibing.us.es/proyectos/abreproy/12025/fichero/7... ·...

Descripción de la solución propuesta

55

Capítulo 4



56

4.1 Reflexión inicial En las últimas dos décadas se han hecho enormes esfuerzos para desarrollar un

sensor óptico de pH capaz de ofrecer resultados in vivo suficientemente

satisfactorios como para sustituir por completo la utilización del tradicional

electrodo de vidrio, respecto al que presenta, en teoría, grandes ventajas.

En las publicaciones científicas se pueden encontrar varias vías de investigación y

una gran cantidad de diseños pero, lamentablemente, ninguna de las soluciones

propuestas hasta la fecha ha conseguido desterrar por completo al bien

establecido electrodo de vidrio.

Para el investigador que desea iniciarse en este campo puede resultar abrumadora

la increíble variedad de intentos de desarrollar el sensor óptico definitivo que han

existido. Numerosos autores han publicado su prototipo propio y los resultados de

una serie de pruebas, tras lo cual han seguido trabajando en mejorar este diseño

inicial. Para ilustrar esta situación se realiza, en el siguiente apartado, un recorrido

por los diferentes trabajos del físico investigador italiano Francesco Baldini. El

análisis de los diseños puede servir como fuente de inspiración para desarrollar un

diseño propio a partir del que poder empezar a trabajar experimentalmente.

Antes de presentar los diseños de este autor es necesario apuntar que la línea de

investigación que desarrolla es ligeramente diferente a la descrita en este

proyecto, o sea, la medida de pH mediante la absorción de campo evanescente (se

modifica una determinada longitud de la corteza de la fibra para interactuar con el

medio). En los diseños de Baldini se coloca el indicador en un soporte al final de la

fibra seguido de un elemento reflectante, este indicador varía su absorbancia en

función del valor de pH del medio, se ilumina con una señal conocida y se recoge la

luz reflejada en una fibra distinta para ser conducida hasta el fotodetector.

Esta diferencia, sin embargo, no resta interés al análisis de estos diseños previos

puesto que, aún siendo distinto el mecanismo de medida, está estrechamente


57

ligado con el mecanismo de interés en este proyecto, aportando por tanto, valiosa

información en cuanto a la elección del indicador, el método de deposición, los

elementos optoelectrónicos empleados, etc.

4.1.1 Diseños previos (Baldini et al.)

4.1.1.1 Primer sensor (1993) En esta fecha se presenta el sensor (patentado en 1990) de la figura 10 [Baldini,

1993]. Se inmoviliza al final de la fibra un indicador que cambia sus propiedades

ópticas en función del valor de pH. Para inmovilizar el colorante se utiliza una

matriz porosa (CPG) y un procedimiento químico de sililación (introducción de un

grupo sililo en la molécula [Cromlab]).

Figura 10: Diseño del sensor de Baldini et al. de 1993 [Baldini, 1990]

Una fibra ilumina el colorante y otra fibra, en el mismo catéter, recoge la radiación

modificada que se refleja en un espejo colocado en el extremo del sensor. El

material sensible está rodeado por un capilar de acero inoxidable perforado que

permite al líquido bañar la matriz porosa, interactuando con el colorante.

Puntos a remarcar:

Solo se realizan medidas in vitro


58

Se realizan pruebas con los indicadores siguientes: azul de bromofenol (BPB:

Bromophenol Blue), púrpura de bromocresol (BCP: Bromocresol Purple), azul de

timol (TB: Thymol Blue) y azul de xilenol (XB: Xylenol Blue). Se concluye que el

thymol blue es el colorante más indicado para cubrir el rango de interés en pH

gástrico (limitando este rango entre 1 y 6).

Inmovilizando los colorantes mediante el procedimiento de sililación en un

CPG se observa un desplazamiento en longitud de onda del pico de absorción y

un aumento del rango de pH medible respecto a los valores que se obtienen al

disolver los indicadores en agua. El procedimiento de sililación también reduce

la degradación del indicador.

4.1.1.2 Segundo sensor (1995)

Fue uno de los primeros sensores de pH in vivo para medidas gastroesofágicas. Era

capaz de detectar un rango de pH entre 1 y 8 utilizando dos indicadores diferentes,

bromophenol blue y thymol blue, unidos covalentemente en vidrios de poro

controlado (CPG) y fijados en fibras de plástico de 0,5 mm de diámetro de núcleo.

En el extremo del sensor se sujeta un reflector de teflón mediante cable de acero.

Con este diseño se usaba menor cantidad de material sensible, lo que favorece la

biocompatibilidad. Se constató cierta degradación en el colorante TB y ninguna

degradación en BPB [Baldini, 1995].



59

La unidad optomecánica del sensor consistía en dos canales para la detección del

pH en dos rangos diferentes: entre 1 y 3,5 y entre 3,5 y 8 unidades de pH. Cada

canal usaba dos diodos emisores de luz (LEDs: Light Emitting Diodes) como fuente

(uno para la señal y otro para la referencia) y un fotodiodo simple como receptor.

Las señales procedentes del sensor se amplificaban y procesaban por un

microprocesador interno. Los LEDs para los dos rangos de pH (pH 1‐3,5 y pH 3,5‐

8) fueron elegidos teniendo en cuenta las diferencias en las propiedades ópticas

que poseen los indicadores: BPB y TB. Para el canal 1 se utiliza TB como indicador

y los dos LEDs se caracterizan por una emisión centrada en 565 y 830 nm para la

señal y para la referencia respectivamente. En el canal 2 (rango de pH entre 3,5 y

8) se utiliza BPB como indicador y los dos LEDs centran su emisión en 605 y 830

nm para la señal y la referencia respectivamente.

Se realizaron pruebas in vitro y también medidas in vivo. Para estas últimas se

contó con la colaboración de diferentes pacientes y los resultados se compararon

con otra medida simultánea que usaba un electrodo de vidrio para medir el pH. Los

dos sensores se montaron en el mismo catéter y se introdujeron por el mismo

orificio de la nariz hasta el esófago. Los extremos de las sondas se fijaron juntos

para colocarlas exactamente en la misma posición.

La precisión de las medidas in vitro fue de 0,05 unidades de pH, mientras que en

las medidas in vivo los resultados no fueron lo suficientemente satisfactorios ya

que se encontraron variaciones de varias décimas entre la medida del sensor de

fibra óptica y el sensor basado en electrodo de vidrio usado como referencia

[Baldini, 1996].

4.1.1.3 Tercer sensor (2000)

Más tarde se modificó el diseño anterior depositando el colorante sobre el espejo,

en lugar de al final de las fibras y, lo que es más importante, se consiguió cubrir

todo el rango de pH de interés (1 a 8) con un solo indicador: methyl red. Gracias a

este hecho se usan tan solo 2 fibras en lugar de 4, lo que simplifica mucho el


60

montaje. También es de remarcar que con este diseño se podría sustituir el cable

de acero y el reflector plástico con el indicador en caso de necesidad, sin afectar a

las demás partes del sensor [Baldini, 2000].


Sin embargo, este dispositivo no fue probado en pacientes, sino que únicamente se

han llevado a cabo una serie de ensayos de laboratorio. El propio autor se refiere a

este diseño en un trabajo posterior para decir que no cumple los requisitos

técnicos ni de biocompatibilidad [Baldini, 2003].

4.1.1.4 Cuarto sensor (2011)

En 2011, presentan otra configuración más (patente de diciembre de 2010 que no

ha sido hecha pública a fecha de la finalización de este proyecto). En esta ocasión el

diseño es totalmente distinto. Se cortan a bisel dos fibras de plástico como se

muestra en la figura 13, de manera que la luz enviada por una de ellas se refleja

totalmente y vuelve por la otra para ser analizada por un espectrofotómetro. El

colorante (methyl red) se ha depositado sobre los extremos de las fibras (usando

CPGs) para modificar las propiedades ópticas de la luz en función del valor del pH.


61


Solo se realizaron pruebas in vitro, consiguiéndose un amplio rango de pH (1 a 8)

y una respuesta temporal bastante rápida, del orden de los 10 segundos. Sin

embargo el nivel de precisión sigue estando por debajo de lo requerido [Baldini,

2011].

4.1.2 Finalizando la reflexión inicial Tras recorrer los diferentes trabajos de Baldini et al., que empezaron a presentarse

nada menos que hace 20 años, cabe preguntarse: ¿Hay que esperar a tener un

“diseño teórico perfecto” para construir un prototipo y realizar pruebas? La

respuesta que se da en este proyecto a esta pregunta es: Obviamente no.

Un prototipo rudimentario que no alcanza los requisitos de diseño pero que

permite realizar las primeras pruebas de laboratorio tiene un gran valor, puesto

que de la experimentación realizada se obtendrá información con la que

perfeccionar el diseño y construir un nuevo prototipo.

Tal y como se citó en la introducción, Vaughn Koen dice que el método del

ingeniero consiste en “producir el mejor cambio en una situación, dado un

conocimiento incompleto y unos recursos limitados”. Podemos decir que ese

“mejor cambio” es el primer prototipo y que el segundo prototipo será mejor que


62

el primero gracias a que el conocimiento previo del problema será mayor. Esto es

lo que se conoce como realimentación.

Después de esta reflexión estamos en disposición de proponer un diseño teórico

para un sensor de pH mediante fibra óptica. En concreto vamos a utilizar la técnica

de medida basada en el campo evanescente, es decir, en la que se modifica la

corteza en un tramo de fibra para albergar el indicador. La razón fundamental de la

elección de esta técnica es que permite la utilización de una sola fibra para efectuar

la medida, lo que da lugar a un montaje sencillo y a la mínima incomodidad para el

paciente.

Para diseñar nuestro sensor vamos a tratar de favorecer la penetración de la onda

evanescente en la corteza mediante uno de los mecanismos que se describen en el

siguiente apartado.

4.2 Métodos para favorecer el campo evanescente

Una vez descritos algunos trabajos que basan la medida de pH en la interacción de

la luz con un indicador sensible y habiendo profundizado en el capítulo anterior la

técnica que mide pH mediante la absorción de la onda evanescente, se dirigen

ahora los esfuerzos a buscar una solución basada en esta línea de investigación que

aporte algunas ventajas respecto a los sensores ya descritos. En primer lugar,

analicemos qué mecanismos se pueden poner en práctica para favorecer la

penetración de esta onda evanescente en el volumen en el que se encuentra el

indicador. En la literatura se pueden encontrar algunos ejemplos de diferentes

configuraciones físicas que persiguen este fin.


63

4.2.1 Fibra afilada

Una opción [Golden][Gupta, 1994] es modificar la forma del núcleo de manera que

se favorezca una incidencia más perpendicular de los rayos en la interfaz núcleo‐

corteza, lo que conlleva una mayor energía transmitida al exterior del núcleo en

forma de onda evanescente como se muestra en la figura 14.

Figura 14: Fibra afilada [Golden]

Como ya se explicó en el apartado 3.2.3, una incidencia más perpendicular de los

rayos sobre la interfaz (siempre por encima del ángulo crítico) aumentará la

presencia de onda evanescente en la corteza.

Un trabajo digno de mención es el de Grant et al. [Grant, 2001] que presenta un

sensor del pH para tejido cerebral en el que se afila el final de la fibra con la

intención de favorecer el campo evanescente y también para acentuar la reflexión

(ver apartado 4.3.3). La técnica de deposición empleada en este trabajo es la ya

descrita técnica Sol‐Gel.

4.2.2 Fibra doblada Otros autores [Gupta, 2002][Nath][Surre] han apuntado la posibilidad de doblar la

fibra para favorecer, también mediante una incidencia más perpendicular de los


64

rayos, la penetración de la onda evanescente. En la figura 15 se muestra la llamada

fibra en forma de U (Ushaped fibre o Ubend fibre).

Figura 15: Fibra en forma de U [Nath]

4.2 Diseño propuesto

La solución que se propone en este documento pretende explotar el fenómeno

observado al curvar la fibra mediante el diseño mostrado en la siguiente página. La

parte sensible del sensor es la región de la fibra modificada mediante la deposición

del indicador, que da vueltas en torno a un eje, favoreciendo la penetración de la

onda evanescente e incrementándose la interacción entre analito y reactivo (los

iones de hidrógeno y el indicador sensible). Se emplea una fibra de plástico debido

a su flexibilidad.


66

Como puede observarse, la fibra de plástico es conducida por el interior de un

catéter para salir al exterior a través de un orificio y así exponer al medio su

superficie sensible al pH. Tras dar algunas vueltas en torno al catéter vuelve al

interior a través de otro orificio e incide perpendicularmente en un espejo

adherido al final de la fibra (también se puede modificar el final de la fibra para

que sea reflectante). La luz reflejada en el espejo hace el camino inverso por la

fibra interactuando una vez más con el medio al volver a atravesar la parte

sensible de la misma, incrementándose así la información obtenida en la medida.

Se trata de un diseño meramente teórico. Con toda seguridad serán necesarias

sucesivas modificaciones a medida que se vayan presentando dificultades tanto en

su realización física como en la adquisición de las medidas.

4.3 Puntos a analizar de cara a la construcción del dispositivo Como se ha dicho en el apartado anterior, el diseño propuesto es meramente

teórico y será necesario un concienzudo análisis antes de estar en disposición de

construir el dispositivo. Este análisis detallado, que excede el alcance de este

proyecto, debe ser realizado por un ingeniero químico preferentemente, o por otro

ingeniero que pueda obtener apoyo por parte de un químico. Se exponen a

continuación algunos puntos a tener en cuenta.

4.3.1 Elección del indicador y del método de deposición

El rango a cubrir es de 8 unidades de pH, lo que resulta difícil de conseguir con un

solo indicador, ya que suele ser capaz de medir únicamente un rango de 2 a 3

unidades. Este problema se ha tratado de resolver de dos formas diferentes:

utilizando una mezcla de indicadores o mediante varios optodos ensamblados cada

uno con un indicador diferente y utilizando la misma unidad optoelectrónica. Las

dos soluciones han resultado ser insatisfactorias. Para mezclar indicadores es

necesario que estos posean propiedades espectrales similares si se pretende usar


67

un arreglo óptico sencillo, pero en cualquier caso se necesitaría un algoritmo de

calibración muy complicado para obtener la relación entre absorbancia y valor de

pH. La otra opción, el ensamblaje de varios optodos, da lugar a un enlace óptico

menos manejable y compacto que el que se precisa para una inserción por vía

nasogástrica [Baldini, 2011].

No obstante la experimentación ha demostrado que el rango de pH que los

indicadores son capaces de medir puede ampliarse bastante en función del método

escogido para su inmovilización [Gupta, 1997]. Se debe escoger un método de

inmovilización y un indicador que ofrezca buenos resultados con ese método

concreto en función de las limitaciones de instrumentación disponible. El

indicador methyl red inmovilizado en vidrios de poro controlado parece ofrecer un

amplio rango de medida según los trabajos de Baldini et al. descritos en el

apartado 4.1.1.

También es de remarcar que el interés de la medida gastroesofágica de pH reside

en poder determinar si el reflujo en cuestión es de carácter ácido (pH < 4) o

débilmente ácido (pH ≥ 4). Este umbral se debe a que la mayor parte de los

síntomas debidos a la ERGE sólo se detectan en los episodios de reflujo ácido

[Dolder]. Esto podría relajar un poco el requisito del rango de pH medible.

4.3.2 Estudio de la biocompatibilidad

Los materiales a emplear en la construcción del sensor deben ser escogidos

cuidadosamente para poder trabajar en un entorno muy agresivo (jugo gástrico)

durante largos periodos de tiempo (24 horas) y a su vez deben satisfacer todos los

requisitos de biocompatibilidad. Grandes esfuerzos se han llevado a cabo en temas

de biocompatibilidad en los estudios del sensor óptico de pH en sangre para

medidas intravasculares. Sin embargo este tipo de sensores no pueden aguantar

las condiciones del entorno que nos ocupa [Baldini, 2003]. Como ya se apuntó en el

apartado 3.4.1 se deben respetar las normas ISO 10993 [Medisil] y la norma IEC

60601 [MedEco] entre otras.


68

4.3.3 Diseño del elemento reflector

En el extremo de la fibra debe reflejarse la onda para volver hacia la posición del

emisor donde también se encuentra el receptor y así poder analizar las

modificaciones sufridas.

En el trabajo de Pabrita Nath [Nath], que utiliza la fibra en forma de U se muestra

un ejemplo sencillo de reflector. Se prepara el extremo con un pulido de alta

precisión hasta darle la forma que se muestra en la figura 17. Debido a las

diferencias de índice de refracción entre la superficie final de la fibra y el medio

exterior se consigue la reflexión total buscada.

Figura 17: Reflexión total al final de la fibra [Nath]

Ya se ha apuntado la utilización de este reflector en el trabajo de Grant et al. [Grant,

2001] y algo similar pero utilizando dos fibras en el trabajo de Baldini et al.

[Baldini, 2011].

4.3.4 Análisis de la señal

La sonda es interrogada en reflectancia, lo que quiere decir que con un emisor se

envía por la fibra una señal de características bien conocidas y se analiza la onda

que vuelve por la misma fibra. Puesto que las variaciones de pH dan lugar a

variaciones de la onda evanescente, que equivale a pérdidas de energía mayores o


69

menores, se podría pensar en principio que el aparato idóneo sería un reflector

óptico en el dominio del tiempo (OTDR: Optical TimeDomain Reflectometer). Sin

embargo, se ha observado que los indicadores no sólo varían su capacidad de

absorción, sino que modifican las propiedades espectrales de la radiación reflejada

y, por tanto, se hace pertinente la utilización de un analizador de espectros óptico

(OSA: Optical Spectrum Analyzer) en recepción.

4.3.5 Disoluciones patrón

Es necesario disponer de líquidos de diferentes valores de pH para realizar

medidas. El procedimiento más habitual que puede encontrarse en la literatura es

el de añadir HCl en agua para disminuir su pH y NaOH para aumentarlo [Surre]. Es

necesario valerse también de un sensor de pH comercial para conocer el pH de la

disolución de prueba.

4.3.6 Simulación por ordenador

Mediante algún software de análisis matemático como Matlab pueden realizarse

numerosos experimentos antes de pasar a la construcción del prototipo, para lo

que se precisa un desembolso económico. El capítulo final de esta memoria se

dedica a esta labor, analizando la influencia de la longitud de onda de trabajo o el

diámetro del núcleo en la potencia del campo evanescente.

4.4 Conclusión del capítulo La motivación de la propuesta de diseño es la constatación de que hasta la fecha no

se ha logrado un sensor óptico totalmente satisfactorio a pesar de la enorme

cantidad de configuraciones propuestas. Muchos autores han conseguido mejorar

ciertas características trabajando con su diseño propio, variándolo a lo largo de los

años. La solución que se propone en este documento no pretende convertirse tal


70

cual en esa solución “perfecta” pero sí que nos permitirá enfrentarnos de primera

mano a los problemas para poder darles una respuesta diferente.

Esperamos que, el sensor así diseñado, se convierta en un futuro en el punto de

partida de la siguiente etapa del trabajo de investigación, en la que se haga uso de

la experimentación de laboratorio y que, por falta de tiempo, no ha podido

acometerse antes de la finalización del presente proyecto.

descripción de la solución propuestabibing.us.es/proyectos/abreproy/12025/fichero/7... ·...

Documents