Search

Comunicació presentada a: BioCAS 2018, celebrada a Cleveland, Ohio, Estats Units d'Amèrica, del 17 al 19 d'octubre de 2018. Galvanic coupling, or more precisely, volume conduction, can be used to communicate with and to transfer power to electronic implants. Since no bulky components for power, such as coils or batteries, are required within the implants, this strategy can yield very thin devices suitable for implantation by injection. To design the circuitry of both the implants and the external systems, it is desirable to possess a model that encompasses the behavior of these circuits and also the volume conduction phenomenon. Here we propose to model volume conduction with a two-port network so that the whole system can be studied in circuit simulators. The two-port network consists only of three impedances whose values can be obtained through simple measurements or through numerical methods. We report a validation of this modeling approach in a geometrically simple in vitro setup that allowed us to determine the impedances of the two-port network not only by performing measurements or through a finite element method study but also through an analytical solution. Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 724244).

En el área de Huizachal Tamaulipas, el análisis de cuarzo mostro salinidades en el rengo de 18 a 28 % Eq. peso CaCl2 y temperaturas de homogeneización (Th) de 160º a 215 °. Para el cobre estratiforme del área de Cuatro Ciénegas se obtuvo un rango de salinidad de 26.3 a 38.57% de Eq. en peso CaCl2 para el cuarzo, y de 26.3 a 26.8 % Eq. peso CaC2 para la calcita; las temperaturas de homogeneización (Th) en el cuarzo es de 128º a 165 °C y para la calcita es de 98º a 115 °C. En el área de Las Vigas Chih., se analizaron muestras en la mena de cobre así como en troncos mineralizados con cobre: En la mena se obtuvo un rango de salinidad de 19.5 a 23.1% de Eq. en peso CaCl2 para el cuarzo en los fluidos subsaturados de la salmuera cálcica, los fluidos saturados del tipo S+L+V presentaron salinidades del orden de 29 a 40 % peso CaCl2 , las temperaturas de homogeneización variaron de Th = 150º a 180 °C; Un comportamiento semejante presentaron las inclusiones fluidas analizadas en la mineralización de troncos de madera reemplazados por cobre y ganga de cuarzo, donde se determino una salinidad de 15 a 33% peso CaCl2 con temperaturas de homogeneización de Th =146° a 214 °C. Nuestros datos son compatibles con un modelo genético relacionado a los primeros pulsos de la Orogenia Laramídica Mexicana, donde los fluidos cálcicos caliente mineralizantés cargados con cobre de la cuenca, migran hacia los bordes de las plataformas depositándose en horizonte permeables muy posiblemente en la interface de acuíferos colgados pre-existentes donde la mezcla y enfriamiento provocan la precipitación del cobre: De aquí su carácter estrato-ligado

Aparato para el diagnóstico y monitorización de la esteatosis hepática basado en la medición de la impedancia eléctrica. La presente invención hace referencia a un sistema para determinar de forma rápida el grado de esteatosis hepática (grasa en el hígado) a través de una medida directa de la impedancia eléctrica hepática a una o más frecuencias. La medida se realiza mediante sensores de superficie o mínimamente invasivos, pudiéndose acoplar estos a otros dispositivos de uso médico (e.g. sondas laparoscópicas). Mediante un algoritmo de interpolación basado en correlaciones entre la impedancia y el porcentaje de grasa hepática en biopsias de referencia, el sistema es capaz de determinar el grado de esteatosis hepática en el órgano medido de forma inmediata y sin necesidad de otro tipo de intervención. Esto permite su aplicación a procedimientos como el trasplante hepático, posibilitando un diagnóstico rápido de viabilidad, así como otros procedimientos quirúrgicos y sobre órganos explantados., Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España), B1 Patente con informe sobre el estado de la ténica

Aquesta tesi es centra en el desenvolupament i l'ús d'una sonda miniaturitzada de silici per a la mesura de la impedància elèctrica de teixits vius tous. El propòsit d'aquestes mesures d'impedància és la monitorització en temps real del dany isquèmic per a aplicacions com la cirurgia cardíaca o el trasplantament d'òrgans. Actualment, el rang de mètodes aplicables a nivell clínic per tal de detectar l'isquèmia tissular és limitat i no existeix cap mètode pràctic que permeti la quantificació en temps real de l'efecte d'aquesta isquèmia, això és, el dany isquèmic. En aquest sentit, la monitorització de la impedància elèctrica sembla esperançadora i el treball d'aquesta tesi contribueix al camp mitjançant el desenvolupament de nous instruments i mètodes i mitjançant l'aportació de noves dades experimentals i eines per a la comprensió de la relació entre la patofisiologia i la impedància elèctrica. Les principals contribucions d'aquesta tesi es resumeixen a continuació.En aquesta tesi, es descriu el desenvolupament d'una sonda que formada per quatre elèctrodes de platí (300 m  300 m) a sobre d'un substrat de silici en forma d'agulla ( longitud d'inserció = 9 mm i secció de 600 m  500 m). Els elèctrodes estan situats a una distància de separació no constant per tal de millorar la relació senyal-soroll i la resolució espacial. Es realitza una deposició electroquímica de platí negre sobre els elèctrodes per tal de reduir la impedància de la interfície i millorar la qualitat de les mesures. En el cas dels teixits vius, la banda freqüencial de mesura va dels 100 Hz fins als 100 kHz. Un mètode nou per a la mesura d'impedància a cinc elèctrodes es presenta i s'analitza. Amb aquest mètode, es pretén minimitzar l'error a baixes freqüències degut a l'elevada impedància de la interfície elèctrode-electròlit. Malauradament, encara que aquest mètode a cinc elèctrodes funciona, s'han trobat algunes limitacions que el fan quasi impracticable en el cas dels teixits vius.També es presenta el desenvolupament i l'ús d'un paquet de programari per a simular la impedància elèctrica dels teixits vius en les regions de dispersió  i . Aquest programari es basa en la generació d'arxius SPICE a partir de l'especificació d'alguns paràmetres numèrics relacionats amb el teixit i el dibuix d'un mapa bi-dimensional que representa un tall de teixit. El resultat més significatiu d'aquest simulador és que és capaç d'obtenir respostes compatibles amb l'equació de Cole a partir d'un model basat únicament en resistències i capacitats.S'han realitzat diversos estudis experimental fent servir la sonda de silici. En aquesta tesi únicament es presenten els estudis amb ronyons de rata. Els resultats confirmen les principals observacions fetes anteriorment per altres investigadors que han treballat amb diferents animals, òrgans i protocols. Això vol dir, en termes generals, un increment significatiu de la magnitud de la impedància elèctrica a baixes freqüències (< 10 kHz) durant el desenvolupament del procés isquèmic que s'associa a l'inflament cel·lular o al tancament de les unions inter-cel·lulars (gap junctions). Malgrat això, aquí també s'observa que un paràmetre derivat de la caracterització espectroscòpica de la impedància segons el model Cole, el paràmetre , normalment ignorat per molts autors, és capaç de detectar alguns fets que no són detectats per la resta de paràmetres derivats de l'estudi de la impedància. Concretament es mostra que el valor de  podria estar relacionat amb la morfologia de l'espai extracel·lular i es demostra experimentalment que  pot ser modificat per una alteració induïda del citosquelet cel·lular.Addicionalment, aquesta tesi inclou un annex que tracta de facilitar la comprensió de la monitorització de la bioimpedància elèctrica a aquells amb formació en ciències de la vida., This thesis is focused on the development and use of a miniaturized silicon probe for electrical impedance measurements of soft living tissues. The purpose of those impedance measurements is to monitor the ischemia injury for applications such as cardiac surgery or organ transplantation.Currently, the range of clinically available methods to detect tissue ischemia is limited and there is not any practical method to quantify in an on-line manner the effect of such ischemia, that is, the ischemia injury. In this sense, electrical impedance monitoring seems very promising and this thesis contributes to the field by developing new instruments and methods and by providing novel experimental results and tools to understand the relation between pathophysiology and electrical impedance. The main contributions of this thesis are summarized below.In this thesis, it is presented the development of a silicon probe that consists of four platinum electrodes (300 m  300 m) on a needle shaped silicon substrate (9 mm insertion length, 600 m  500 m cross section). The electrodes are placed at non-constant separation distance in order to enhance signal-to-noise ratio and spatial resolution. An electrochemical deposition of platinum black on the electrodes is performed in order to reduce the interface impedance and improve the quality of the measurements. For living tissue measurements, the useful measurement band goes from 100 Hz to 100 kHz.A novel measurement method based on five electrodes is described and analyzed. It is intended to minimize errors at low frequencies caused by the high electrode-electrolyte interface impedances. Unfortunately, although this five-electrode method works, some limitations have been found that made almost impossible its implementation for living tissue measurements.It is also presented a custom developed software package to simulate the electrical impedance of living tissues at the  and  dispersion regions. It is based on the generation of a SPICE netlist from the specification of some numerical parameters concerning the tissue and a bi-dimensional map representing a slice of tissue. Some examples are provided to demonstrate its feasibility. The most significant result is that the simulator is able to obtain Cole compatible behaviours from models based on simple resistances and capacitances. Several experimental studies have been performed by using the silicon probe. In this thesis only the experiments carried out on rat kidneys are presented. The results confirm the main observations made by previous researchers working with other animals, organs and protocols. That is, in general terms, a significant increase of impedance magnitude at low frequencies (This thesis includes an annex that tries to facilitate the understanding of electrical bioimpedance monitoring for life-sciences practitioners.Another annex describes the instrumentation systems that were developed for electrical impedance measurements based on the four-electrode method.

not available

Comunicació presentada a: XXX Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica, CASEIB 2012, celebrat a San Sebastián del 19 al 21 de novembre de 2012 For several years, researchers have developed techniques to replace and enhance the capabilities of our neural system by means of implantable electrical stimulation technologies. Even though important work has been done in this field, further progress must be accomplished in terms of miniaturization in order to ensure comfort, simpler surgical implantation procedures, and the capability of using multiple wireless smart stimulators for achieving more muscle recruitment. In the past, with the objective of accomplishing an unprecedented level of miniaturization, we have proposed the development of implantable stimulators that would act as rectifiers of AC current supplied by external electrodes. Here it is described the development and evaluation of an addressable stimulator based on discrete component technology as a proof-of-concept of the proposed method. This macroscopic version of the stimulator is capable of generating magnitude controlled bipolar pulses according to commands modulated in the AC current. Multiple evaluations were done to test the device, including DC current testing, in-vitro and in-vivo testing, concluding that the developed system is an effective proof-of-concept of the method proposed, being able to perform controlled electrical stimulation. Electrical current testing showed that anodal and cathodal currents were generated, and in-vivo testing showed the effective electrical stimulation of an anesthetized earthworm. It is concluded that the idea of developing smart rectifiers as implantable stimulators is feasible. This represents a first step towards the design of an implantable device with a miniaturization level without precedents. LBF’s Master’s degree was supported by Colfuturo - Colombia. AI’s research is currently supported by a Ramón y Cajal fellowship from the Spanish Ministry for Science and Innovation and a Marie Curie International Reintegration Grant (256376) from the European Commission.

En el área de Huizachal Tamaulipas, el análisis de cuarzo mostro salinidades en el rengo de 18 a 28 % Eq. peso CaCl2 y Th de 160º a 215 °. Para el cobre estratiforme del área de Cuatro Ciénegas se obtuvo un rango de salinidad de 26.3 a 38.57% de Eq. en peso CaCl2 para el cuarzo, y de 26.3 a 26.8 % Eq. peso CaCl2 para la calcita; las temperaturas de homogeneización (Th) en el cuarzo es de 128º a 165 °C y para la calcita es de 98º a 115 °C. En el área de Las Vigas Chih., se analizaron muestras en la mena de cobre así como en troncos mineralizados con cobre: En la mena se obtuvo un rango de salinidad de 19.5 a 23.1% de Eq. en peso CaCl2 para el cuarzo en los fluidos subsaturados de la salmuera cálcica, los fluidos saturados del tipo S+L+V presentaron salinidades del orden de 29 a 40 % peso CaCl2, las temperaturas de homogeneización variaron de Th = 150º a 180 °C; Un comportamiento semejante presentaron las inclusiones fluidas analizadas en la mineralización de troncos de madera reemplazados por cobre y ganga de cuarzo, donde se determino una salinidad de 15 a 33% peso CaCl2 con temperaturas de homogeneización de Th =146° a 214 °C. Nuestros datos son compatibles con un modelo genético relacionado a los primeros pulsos de la Orogenia Laramídica Mexicana, donde los fluidos cálcicos caliente mineralizantés cargados con cobre de la cuenca, migran hacia los bordes de las plataformas depositándose en horizonte permeables muy posiblemente en la interfaz de acuíferos colgados pre-existentes donde la mezcla y enfriamiento provocan la precipitación del cobre: De aquí su carácter estrato-ligado.

Electroporation is a biophysical phenomenon in which cell membrane permeability to ions and molecules is increased when the cell is briefly exposed to high electric fields. Electroporation is the basis of multiple novel clinical treatment modalities. Reversible electroporation is the basis of Electrochemotherapy (ECT), a cancer treatment modality in which electric pulses are applied to enhance cellular uptake of chemotherapeutic agents. It is also the basis of Gene Electrotransfer, which is used in multiple therapies under clinical trials, including cancer treatments and vaccination. Irreversible electroporation (IRE) is used as a non-thermal ablation technique for treatment of solid tumors. Electrolytic Electroporation (E2) is a novel tissue ablation technique which combines reversible electroporation with electrolysis. This research project aimed at better understanding the interplay of the two components of E2 to achieve tumor eradication. In order to investigate the cell killing mechanism, in vitro, in vivo and in silico studies were performed and the information obtained was combined to demonstrate the E2’s underlying mechanisms of action. La electroporación es un fenómeno biofísico por el cual se aumenta la permeabilidad de la membrana celular a iones y moléculas cuando la célula se expone brevemente a elevados campos eléctricos. La electroporación es la base de múltiples modalidades novedosas de tratamiento clínico. La electroporación reversible es la base de la electroquimioterapia (ECT por sus siglas en inglés), una modalidad de tratamiento del cáncer en la que se aplican impulsos eléctricos para mejorar la absorción celular de agentes quimioterapéuticos. También es la base de la electrotransferencia génica, que se utiliza en múltiples terapias en pruebas clínicas, entre ellas vacunas y tratamientos contra el cáncer. La electroporación irreversible (IRE por sus siglas en inglés) se utiliza como técnica de ablación no térmica para el tratamiento de tumores sólidos. La electroporación electrolítica (E2) es una novedosa técnica de ablación de tejidos que combina la electroporación reversible con la electrólisis. El objetivo de este proyecto de investigación fue conocer mejor la interacción entre los dos componentes de la E2 para lograr la erradicación de los tumores. Para investigar el mecanismo de destrucción de células, se llevaron a cabo estudios in vitro, in vivo e in silico, y la información obtenida se combinó para demostrar los mecanismos de actuación subyacentes de la E2.

This thesis was conducted within the framework of the eAXON project that is aimed at developing injectable wireless sub-millimetric single-channel addressable microstimulators based on volume conduction called eAXONs that could be inserted in large numbers to provide high density neuromuscular stimulation for restoring functional movement to paralyzed limbs with minimal invasiveness. It is demonstrated that multi-channel intramuscular stimulation significantly delays electrically–induced muscle fatigue, while single-channel stimulation does not. It is shown that the nerve supply of mammalian skeletal muscles appear to be extensively compartmentalized. Meaning, a large number of eAXONs can be implanted, while their independence is maintained. Lastly, the eAXONs are very thin because they act as rectifiers and perform neurostimulation by instantaneously transforming bursts of externally applied volume conducted high frequency currents into low frequency waveforms. Waveforms created with this approach are less current, charge, energy efficient than square waveforms conventionally used in neurostimulation. Therefore, with eAXONs, there is a tradeoff between device miniaturization and stimulation efficiency.

Diverses teràpies mèdiques es basen en l’electroporació. Entre d’altres, l’electroporació s'usa per al tractament de tumors sòlids. Com que només afecta les cèl·lules i la matriu extracel·lular queda intacta, amb l’electroporació es poden tractar tumors propers a teixits vitals. Tot i aquest clar avantatge respecte d’altres teràpies físiques, els tractaments s’han de planificar amb precisió perquè el resultat és altament dependent dels paràmetres del procediment i de les propietats dels teixits. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament d’eines i models per a la planificació de tractaments amb teràpies basades en electroporació, concretament, per al tractament de tumors interns. A continuació, es relacionen les aportacions d’aquesta tesi. Primer, es descriu el desenvolupament d’una plataforma web que il·lustra la forta dependència de l’electroporació dels paràmetres del tractament i de les propietats elèctriques del teixit, en particular, la dependència del nombre i posició dels elèctrodes, el voltatge aplicat entre parells d’elèctrodes i la conductivitat elèctrica del teixit. Segon, s’estudien models que descriuen la mort cel·lular per predir el volum electroporat en casos de superposició de tractaments amb múltiples parells d’elèctrodes, cosa freqüent en les teràpies basades en electroporació. Per a aquest estudi, es van superposar tractaments per caracteritzar els models de mort cel·lular i, després, aquests models es van usar per analitzar fins a quint punt el volum del tractament es veu afectat en teràpies basades en electroporació. Tercer, es presenta una plataforma per a la planificació de tractaments amb teràpies basades en electroporació. La inserció òptima dels elèctrodes pot ser planificada preoperativament simulant el volum del tractament en models precisos específics per a cada pacient de forma senzilla i ràpida. Tissue electroporation is the basis of several therapies. Among others, it is used in treatments of solid tumors. Because electroporation exclusively targets cells and leaves the extracellular matrix unaffected, tumor treatment near vital structures is feasible, which is a clear advantage over other therapies based on physical methods. However, careful treatment planning is required because electroporation is highly dependent on procedure parameters and tissue properties. This thesis focuses on the development of tools and models for treatment planning in electroporation-based therapies, specifically, for the treatment of internal tumors. The contributions of this thesis are as follows. First, the development of a web platform which illustrates the strong dependence of electroporation on treatment parameters and tissue electrical properties is described. Namely, the dependence on electrode number and positioning, voltage applied between electrode pairs, and tissue electrical conductivity. Second, models which describe cell are presented to predict treatment outcome in cases of treatment overlap with multiple electrode pairs, which are frequent in electroporation-based therapies. This study was performed by first characterizing the cell death models with overlapping treatments, and then, using these models to analyze how the treatment volume was affected in electroporation-based therapies. Third, a platform for treatment planning in electroporation-based therapies is presented. The optimal electrode insertion path can be planned preoperatively by simulating the predicted treatment volume on accurate patient-specific models in an easy-to-use and fast way.

This thesis aimed at addressing questions within the fields of electroporation and peripheral nerve stimulation and, in particular, those that arise from the interaction between the two phenomenona. On the one hand, electroporation can have various direct and indirect effects in the neuronal functions. This thesis investigates the possible role of electroporation in pulsed radiofrequency treatments for chronic pain. On the other hand, during electroporation based treatments, electrical stimulation of peripheral nerves appears as an unwanted effect causing muscle contractions and acute pain. This thesis analyzes the rationale behind the use of bipolar pulses to mitigate this effect and the implications of such approach in irreversible electroporation treatments. In addition, this thesis provides a theoretical framework to explain a series of results that were in apparent contradiction with the common knowledge of the electroporation phenomenon. Finally, this thesis presents a neuromuscular model to study the recruitment patterns in intramuscular electrical stimulation. Aquesta tesi té com a objectiu resoldre qüestions en els camps de l’electroporació i l’estimulació dels nervis perifèrics, i sobretot, aquelles que es deriven de l’interacció entre els dos fenòmens. L’electroporació pot tenir diversos efectes directes o indirectes en les funcions neuronals. En aquesta tesi s’investiga el possible paper de l’electroporació en els tractaments de radiofreqüència polsada. D’altra banda, durant els tractaments basats en l’electroporació, l’estimulació elèctrica dels nervis perifèrics apareix com a efecte secundari causant contraccions musculars i dolor. En aquesta tesi s’analitza com l’ús de polsos bipolar pot mitigar aquests efectes i quines implicacions té aquesta estratègia en els tractaments d’electroporació irreversible. En aquesta tesi també es presenta un marc teòric per explicar una sèrie de resultats que entren en aparent contradicció amb els nostres coneixements sobre l’electroporació. Finalment, es presenta un model neuromuscular que permet estudiar la resposta d’un múscul quan és estimulat mitjançant elèctrodes intramusculars.

Two treatment modalities based on the electroporation phenomenon, electro-chemotherapy and irreversible electroporation, have been developed in the last decades to destroy solid tumors. These treatments are based on the delivery of short high voltage pulses across electrodes and their success depends on covering the whole tumor with an adequate electric field magnitude. This leads to a need for software tools capable of allowing patient-specific treatment planning. In particular, there is a need for treatment planning tools similar to those used in radiotherapy in order to plan the location of the electrodes and the voltage magnitudes to be applied across these electrodes. Here it is described a treatment planning platform prototype which allows users to perform the complete treatment planning sequence in a single environment. The planned treatment volume is represented on the patient medical images after computing, by the finite element method, the electric field magnitude generated by needle-shaped electrodes. Here it is also reported a study in which the above prototype was employed for analyzing the potential impact of liver blood vessels on tumor ablation by irreversible electroporation. From this study it is concluded that those vessels must not be neglected in treatment planning and that undertreatment around those vessels may be occurring frequently in current irreversible electroporation treatments of liver tumors. Finally, it is described the implementation and characterization of a fast semi-analytical algorithm for computing the electric field distribution generated by needle-shaped electrodes. This algorithm is intended to rapidly pre-visualize the expected treatment region before proceeding with an accurate, but laborious and slow, computation based numerical methods. Dos modalidades de tratamiento basadas en el fenómeno de la electroporación, la electroquimioterapia y la electroporación irreversible, han sido desarrolladas en las últimas décadas para destruir tumores sólidos. Estos tratamientos se basan en la aplicación de pulsos cortos de alta tensión a través de electrodos y para su éxito se requiere abarcar todo el tumor con una magnitud de campo eléctrico adecuada. Esto lleva a la necesidad de herramientas software que permitan la planificación de tratamiento específica del paciente. En particular, existe la necesidad de herramientas de planificación de tratamiento similares a las utilizadas en radioterapia para planificar la ubicación de los electrodos y las magnitudes de voltaje a aplicar a través de estos electrodos. Aquí se describe un prototipo de plataforma de planificación de tratamiento que permite a los usuarios realizar la secuencia completa de planificación de tratamiento en un solo entorno. El volumen planificado de tratamiento se representa sobre las imágenes médicas del paciente después de calcular, mediante el método de elementos finitos, la magnitud del campo eléctrico generada por electrodos en forma de aguja. Aquí también se detalla un estudio en el que el prototipo anterior se empleó para analizar el impacto potencial de los vasos sanguíneos hepáticos sobre la ablación de tumores por electroporación irreversible. De este estudio se concluye que estos vasos no deben ser descuidados en la planificación del tratamiento y que alrededor de esos vasos se puede estar produciendo sub-tratamiento frecuentemente en los tratamientos de electroporación irreversible que actualmente se aplican para tumores hepáticos. Finalmente, se describe la implementación y caracterización de un algoritmo semi-analítico rápido para calcular la distribución de campo eléctrico generada por electrodos en forma de aguja. Este algoritmo está destinado a pre-visualizar rápidamente la región de tratamiento esperada antes de proceder con un preciso, pero laborioso y lento, proceso de cálculo basado en métodos numéricos.

Ciencias de la Tierra

Ciencias de la Tierra

Neuroprostheses based on dense networks of wireless microstimulators have been proposed in the past for restoring movement in paralysis patients. Yet existing implantable microstimulators are too bulky and invasive for implementing such networks because of the powering approaches they employ. To overcome this limitation, it was recently proposed an innovative electrical stimulation method incorporating electronic implants. The method consist in delivering, by means of superficial textile electrodes, high frequency current bursts which innocuously flow through tissues by galvanic coupling and which are rectified by the implants, thereby transforming these bursts into low frequency currents capable of performing local stimulation. Since the implants lack bulky components for powering, such as coils and batteries, the method will enable miniaturization levels without precedents for microstimulators. The method was first demonstrated with very simple implants that could not be controlled externally, impeding independent stimulation of different target muscles. This thesis demonstrates that the method allows the development of digitally addressable microstimulators. In particular, this thesis describes the development, characterization and in vivo assay of addressable stimulators made of off-the-shelf electronic components. The developed microcontrolled and wireless stimulators are semi-rigid and can be easily implanted by injection thanks to their elongated shape (2 mm thick and almost 49 mm long). They perform charge-balanced neuromuscular stimulation in response to commands modulated in high frequency current bursts which meet safety standards. This thesis paves the way to future ultrathin stimulators based on a custom integrated circuit., En el pasado se propusieron neuroprótesis basadas en densas redes de microestimuladores inalámbricos para restablecer el movimiento en pacientes con parálisis. Aún así, los microestimuladores implantables existentes en la actualidad son demasiado voluminosos e invasivos como para implementar dichas redes debido a los métodos de alimentación eléctrica que utilizan. Para superar esta limitación, recientemente se propuso un método de estimulación eléctrica innovador que incorpora implantes electrónicos. El método consiste en aplicar mediante electrodos textiles superficiales, corrientes de alta frecuencia que fluyen inofensivamente por los tejidos por medio de acople galvánico, y que son rectificadas por los implantes. De esta forma las ráfagas se transforman en corrientes de baja frecuencia que pueden estimular localmente. Debido a que los implantes no contienen componentes voluminosos como bobinas y baterías para alimentarse eléctricamente, el método permitirá niveles de miniaturización sin precedentes para microestimuladores. El método fue demostrado por primera vez con implantes muy simples que no podían ser controlados externamente, impidiendo la estimulación independiente de diferentes músculos objetivo. Esta tesis demuestra que el método permite el desarrollo de microestimuladores direccionables digitalmente. En particular, esta tesis describe el desarrollo, caracterización y ensayos in vivo de estimuladores direccionables basados en componentes electrónicos comerciales. Los estimuladores inalámbricos desarrollados son semirrígidos y pueden ser fácilmente implantados por medio de inyección gracias a su forma alargada (2 mm de diámetro y casi 49 mm de largo). Los dispositivos realizan estimulación neuromuscular con balance de carga en respuesta a comandos modulados en las ráfagas de corriente de alta frecuencia. Dichas ráfagas de corriente cumplen con estándares de seguridad. Esta tesis abre el camino hacia futuros estimuladores ultrafinos basados en circuitos integrados diseñados para este propósito.

During the last decade, genomics have been widely used to the characterization of the molecular basis of common diseases. Genome-wide association studies (GWAS) have been highly successful in characterizing the genetic variation that influences human traits including the susceptibility to common diseases. In metabolomics, recent improvements of analytical technologies have enabled the analysis of complete metabolomic profiles. Using this approach, high-throughput metabolomics studies have already demonstrated a high potential for the discovery of disease biomarkers. The use of powerful high-throughput measurement technologies has resulted in the generation of large datasets of biological variation. In order to extract relevant biological information from this data, highly specialized bioinformatics methods are required. This thesis is focused on the development of new methodological tools to improve the processing of genomics and metabolomics high-throughput data. These new tools have been used in the analysis framework of the Immune-Mediated Inflammatory Diseases (IMIDs) Consortium. The IMID Consortium is a large Spanish network of biomedical researchers on autoimmune diseases, which holds one of the largest collections of biological samples from this group of diseases, as well as healthy controls. The first analysis tool that has been developed is a computationally efficient algorithm for simultaneous genotyping of single nucleotide polymorphisms (SNPs) and copy number variants (CNVs) using microarray data. This bioinformatics tool, called GStream, integrates the genotyping of both types of genomic variants into a single processing pipeline. We demonstrate that the developed algorithms provide a significant increase in genotyping accuracy and call rate when compared to previous algorithms. Using GStream, the researchers performing large-scale GWASs will not only benefit from the combined and fast genotyping of SNPs and CNVs but, more importantly, they will also improve the accuracy and therefore the statistical power of their studies. The second tool that was developed during this thesis was FOCUS, a bioinformatics framework that provides a complete data analysis workflow for high-throughput metabolomics studies based on one-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR). FOCUS workflow includes quality control, peak alignment, peak picking and metabolite identification. The algorithms included in FOCUS were designed to overcome several technical challenges that can dramatically affect the quality of the results. FOCUS allows users to easily obtain high-quality NMR feature matrices, which are ready for chemometric analysis, as well as metabolite identification scores for each peak that greatly simplify the biological interpretation of the results. When tested against previous NMR data processing methodologies, FOCUS clearly showed a superior performance, even in datasets with high levels of spectral unalignment. he final research work included in this thesis is a GWAS in Crohn's disease (CD) clinical phenotypes. CD is the most prevalent chronic inflammatory disease of the bowel, and is characterized by segmental and transmural inflammation of the gastrointestinaltract. CD is a highly heterogeneous disease, with patients showing different degrees of severity. The identification of the genetic basis associated with disease severity is therefore a major objective in CD translational research. The present PhD thesis includes the first GWAS of clinically relevant phenotypes in CD. A total of 17 phenotypes associated with different clinical complications were analyzed. In this study, we identified new genetic regions significantly associated to complicated disease course, disease location, mild disease course, and erythema nodosum. These findings are of high relevance since they show the existence of a genetic component for disease heterogeneity that is independent of the genetic variation associated with susceptibility to CD., Durant la darrera dècada, la genòmica ha jugat un paper clau en la caracterització de la base molecular de les malalties complexes. Els estudis d'associació de genoma complet (GWAS) han permès caracteritzar les regions genètiques que influencien fenotips humans tals com la susceptibilitat a desenvolupar malalties complexes. En metabolòmica, millores en les tecnologies analítiques han impulsat l'obtenció de perfils metabolòmics en grans cohorts de mostres. Els estudis resultants han demostrat també un gran potencial per a identificar biomarcadors d'utilitat en malalties humanes. L'aplicació de les tecnologies high-throughput permet generar grans conjunts de dades de variació biològica i l'extracció de la informació rellevant requereix l'aplicació de potents eines bioinformàtiques. Aquesta tesi es centra en el desenvolupament de nous mètodes per a millorar i agilitzar el processat de dades genòmiques i metabolòmiques high-throughput, així com la seva posterior implementació en forma d'aplicacions bioinformàtiques. Aquestes aplicacions s'han incorporat al flux d'anàlisi del consorci IMID (malalties inflamatòries mediades per immunitat). Aquest consorci és una xarxa espanyola d'investigadors biomèdics amb l'interès comú de l'estudi de malalties autoimmunes i disposa d'una de les col·leccions de mostres més extenses de pacients d'aquestes malalties. La primera eina bioinformàtica implementada consisteix en un conjunt d'algoritmes que integren el genotipat de polimorfismes de nucleòtid simple i variacions de nombre de còpies sobre dades de microarrays de genotipat. Aquesta eina, anomenada GStream, incorpora de forma eficient tot el flux d'anàlisi necessari per al genotipat en GWAS. S'ha demostrat que els algoritmes desenvolupats milloren significativament la precisió del genotipat i augmenten el nombre de variants genètiques identificades respecte a les metodologies anteriors. La utilització d'aquesta eina permet doncs ampliar el nombre de variants genètiques analitzades, incrementant de forma significativa el poder estadístic dels estudis genètics GWAS. La segona eina desenvolupada ha estat FOCUS. Es tracta d'una eina bioinformàtica integrada que inclou totes les etapes de processat d'espectres de ressonància magnètica nuclear per a estudis de metabolòmica. El flux d'anàlisi inclou el control de qualitat, l'alineament/quantificació de pics espectrals i la identificació dels metabolits associats als pics quantificats. Tots els algoritmes han estat dissenyats per a corregir els biaixos que limiten considerablement la qualitat dels resultats i que són un dels reptes tècnics de la metabolòmica actual. FOCUS obté una matriu numèrica d'alta qualitat llesta per a l'anàlisi quimiomètric, i genera uns scores d'identificació que simplifiquen la interpretació biològica dels resultats. FOCUS ha assolit un rendiment significativament superior al de metodologies prèvies. Aquesta tesi conclou amb el primer GWAS de fenotips clínics de malaltia de Crohn. Aquesta malaltia IMID és la malaltia inflamatòria intestinal de major prevalença i és molt heterogènia, amb pacients que presenten graus molt diferents de gravetat. La identificació de variants genètiques associades als fenotips d'aquesta malaltia és, per tant, un dels objectius més rellevants per a la investigació translacional. Un total de 17 fenotips han estat analitzats utilitzant cohorts de descobriment i validació per tal d'identificar i replicar loci de risc associats a cadascun d'ells. Els resultats de l'estudi han permès identificar, per primer cop, regions genètiques associades a l'evolució de la malaltia i a la seva localització. Aquests resultats són de gran rellevància ja que no tan sols han permès identificar noves vies biològiques associades a fenotips clínics, sinó que també demostren, per primer cop, la existència d'un component genètic de la heterogeneïtat a la malaltia de Crohn i que és independent de la variació genètica associada al risc de patir la malaltia.

La còrnia és una estructura transparent ubicada a la part frontal de l’ull que permet la transmissió de la llum i protegeix globus ocular d’agressions externes. La principal característica de la còrnia és la seva transparència. Aquesta depèn del nivell de hidratació de l’estroma, que ha de mantenir-se en un constant estat de deshidratació. Aquest nivell de hidratació depèn d’un equilibri dinàmic entre els fluxos iònics que travessen les capes endotelials i epitelials. Per tant, la permeabilitat d’aquestes capes resulta un factor determinant per mantenir la homeòstasis corneal i conseqüentment, la transparència corneal. Malgrat això, no existeixen mètodes apropiats per avaluar la funció barrera corneal de forma no invasiva i que puguin ser utilitzats in vivo. Ja que la permeabilitat iònica té molta importància en les propietats elèctriques passives dels teixits vius, els mètodes basats en aquestes propietats són àmpliament utilitzats en estudis in vitro de la funcionalitat de les capes corneals. Aquesta tesis doctoral es centra en el desenvolupament i validació d’un mètode no invasiu per l’avaluació de l’estat funcional de les principals capes corneals que pugui ser utilitzat in vivo. Per avaluar la viabilitat del mètode proposat s’ha desenvolupat un model numèric basat en elements finits (FEM). Els resultats de les simulacions indiquen que les mesures obtingudes mitjançant elèctrodes col·locats sobre la superfície corneal són suficientment sensibles als canvis de les propietats elèctriques de l’endoteli i de l’epiteli. Una primera versió del sensor d’impedància s’ha fabricat utilitzant un substrat de Pyrex®. De forma que s’ha d’aplicar una certa pressió per tal d’aplanar la curvatura corneal i assegurar el contacte elèctric entre la superfície corneal i els elèctrodes. Malgrat la pressió exercida, sols es pot assegurar el contacte elèctric per la configuració d’elèctrodes més pròxima. Malgrat aquesta limitació, s’ha validat la capacitat del mètode per avaluar in vivo la funció barrera de la còrnia. Per tal de superar les limitacions del substrat rígid, s’ha desenvolupat un sensor de impedància flexible basat en un substrat polimèric de SU-8. D’aquesta forma, la facilitat d’ús i aplicabilitat del mètode proposat milloren notablement ja que no es requereix pressió per aplicar el sensor. La viabilitat del mètode ha estat avaluada incrementant farmacològicament la permeabilitat epitelial de conills i monitoritzant el procés de cicatrització de l’epiteli. Els resultats obtinguts s’han comparat satisfactòriament amb mesures de permeabilitat a la fluoresceïna, un mètode destructiu que es relaciona directament amb la permeabilitat. També s’ha observat que la resolució de les mesures realitzades està principalment limitada per variacions en el gruix de la llàgrima entre el sensor i la superfície corneal. De la mateixa forma, s’ha observat que la contribució de la llàgrima a la impedància mesurada es pot minimitzar augmentant la separació. En paral·lel amb el desenvolupament del sistema in vivo, s’ha estudiat la possibilitat d’aplicar el mètode a l’avaluació de la funció barrera de l’endoteli en còrnies extretes. Aquest nou desenvolupament podria ser molt útil per avaluar la funcionalitat corneal abans d’un transplantament. El mètode proposat permetrà la simplificació dels procediments experimentals utilitzats actualment, que requereixen de l’eliminació de l’epiteli abans de fer la mesura. Les mesures d’impedància obtingudes s’han comparat satisfactòriament amb tècniques microscòpiques de tinció immunològiques. El treball multidisciplinar presentat en aquesta tesis doctoral ha resultat en un nou mètode per a l’avaluació in vivo de la funció barrera corneal de forma no invasiva. Els excel·lents resultats obtingut han permès la transferència tecnològica del mètode proposat a la pràctica clínica. D’aquesta forma, el microsistema desenvolupat ha estat acceptat com a dispositiu mèdic per l’Agència Espanyola dels Medicaments i Productes Sanitaris (AEMPS) per ser utilitzat en humans. Actualment, el mètode desenvolupat es troba en fase d’assaig clínic., The cornea is a hemispherical transparent structure located in front of the eye that allows the transmission of light and protects the ocular globe against external aggressions. The corneal transparency depends on the hydration of the stroma, which has to remain in a constant state of dehydration. This hydration level depends on a dynamic equilibrium between the ion fluxes through the endothelial and epithelial layer. Thus, the permeability of those layers plays the most important role to maintain the corneal homeostasis, and finally, the corneal transparency. However, there is a lack of proper non-invasive methods for assessing the corneal barrier function in in vivo conditions. Since ionic permeability has a fundamental impact on the passive electrical properties of living tissues, methods based on the study of those properties have consistently been used in in vitro studies of the corneal layers functionality. This dissertation is focused on the development and validation of a non-invasive method to assess the functional state of the main corneal layers in in vivo conditions. An electrical model of the cornea has been developed and analyzed by means of finite elements method (FEM). The simulation results indicate that the measurements performed by electrodes placed on the corneal surface are indeed sufficiently sensitive to the changes in the electrical properties of the epithelial and endothelial layers. The impedance sensor was firstly fabricated using a rigid Pyrex substrate. Consequently, in order to flatten the corneal curvature and ensure the electric contact between the electrodes and the corneal surface a reasonable pressure must be applied. However, the proper electric contact can only be achieved with the closest electrode configuration. Despite this limitation, the capability to in vivo assess the corneal barrier function was successfully evaluated. To overcome the limitations of the rigid substrate, a flexible impedance sensor has been developed using a polymeric SU-8 substrate. Therefore, the usability and performance of the proposed method is increased since no pressure is needed to place the sensor on the corneal surface. Its feasibility was evaluated in vivo by pharmacologically increasing the epithelial permeability and monitoring a corneal epithelium wound-healing process. The obtained impedance results were successfully compared to the measurements of permeability to sodium fluorescein, a well-known destructive method directly related with the permeability. It was also observed that the resolution of the performed measurements is mainly limited by variations in the tear film thickness between the sensor and the corneal surface. However, it was observed that the contribution of the tear film to the measured impedance can be minimized by increasing the separation between electrodes. In parallel with the development of the in vivo system, it has been studied the possibility to apply the method to assess the endothelium barrier function of excised corneas. This new development could be a helpful tool for evaluating the corneal functionality before grafting. The proposed method will allow the simplification of the currently used experimental procedures, which requires the remove of the epithelium to perform the measurement. The obtained impedance results were successfully compared with microscopy immunostaining techniques. The multidisciplinary work described in this dissertation has given rise to a novel method for in vivo assessment of the corneal barrier function in a non-invasive way. The excellent results obtained in the experimental field have allowed transferring the proposed method to the clinical practice. Thus, the developed microsystem has been accepted as a medical device by Spanish Agency of Medicines and Medical Devices(AEMPS)to be used in humans. Currently, the developed method is clinical assay phase.