Descripción de la solucion propuesta

Descripción de la solución propuesta Capítulo 4 Descripción de la solución propuesta 55 Descripción de la solución propuesta 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 56 Descripción de la solución propuesta 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 57 Descripción de la solución propuesta 
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]. Figura 11: Diseño del sensor de Baldini et al. de 1995 [Baldini, 1995] 58 Descripción de la solución propuesta 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 59 Descripción de la solución propuesta 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]. Figura 12: Diseño del sensor de Baldini et al. de 2000 [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. 60 Descripción de la solución propuesta Figura 13: Diseño del sensor de Baldini et al. de 2011 [Baldini, 2011] 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 61 Descripción de la solución propuesta 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. 62 Descripción de la solución propuesta 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 63 Descripción de la solución propuesta 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. 64 Descripción de la solución propuesta 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 66 Descripción de la solución propuesta 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. 67 Descripción de la solución propuesta 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 68 Descripción de la solución propuesta 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 69 Descripción de la solución propuesta 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. 70