ES2224353T3

ES2224353T3 - Sensor que utiliza celulas musculares vivas.

Info

Publication number: ES2224353T3
Application number: ES98900628T
Authority: ES
Inventors: Yoram Palti
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2005-03-01
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: DE69824831T2; ATE270071T1; EP0954238A1; JP3894583B2; US5846188A; DE69824831D1; JP2002509460A; EP0954238B1; DK0954238T3; WO1998031276A1

Abstract

SE PRESENTA UN SISTEMA Y UN PROCEDIMIENTO PARA MONITORIZAR UN CONSTITUYENTE O UNA CONDICION EN UN MEDIO. LAS CELULAS MUSCULARES VIVAS (10, 30) SE SUMERGEN EN EL MEDIO. LAS CELULAS MUSCULARES SON SENSIBLES AL CONSTITUYENTE O A LA CONDICION Y RESPONDEN A LA EXPOSICION A LOS MISMOS MEDIANTE MOVIMIENTO FISICO. UN DISPOSITIVO DE MEDICION OPTICA (12, 31, 50) MIDE EL MOVIMIENTO FISICO DE LAS CELULAS MUSCULARES Y CORRELACIONA ESTE CON EL NIVEL O EL CAMBIO EN EL NIVEL DEL CONSTITUYENTE O LA CONDICION EN EL MEDIO. EL MEDIO PUEDE SER TEJIDO HUMANO, ESTANDO LAS CELULAS MUSCULARES IMPLANTADAS DE FORMA SUBCUTANEA EN EL MISMO. PUEDE MONTARSE UN REFLECTOR (16) EN LAS CELULAS PARA REFLEJAR UN RAYO DE LUZ, EL ANGULO DE REFLEXION VARIARA CON EL MOVIMIENTO DE LAS CELULAS. ALTERNATIVAMENTE, UN FOTODETECTOR (34, 74) PUEDE DETECTAR LA CANTIDAD DE LUZ TRANSMITIDA. PUEDEN UTILIZARSE UNOS ELECTRODOS (93) PARA ESTIMULAR EL MOVIMIENTO DE LAS CELULAS MUSCULARES, QUE PUEDEN ESTAR ENCERRADAS DENTRO UNA CAPSULA PARCIALMENTE TRANSPARENTE (40, 70).

Description

Sensor que utiliza células musculares vivas.

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención

La presente invención está relacionada generalmente con un sensor para monitorizar un constituyente o una condición en un medio, y más particularmente con un sensor que utiliza células musculares vivas que producen un movimiento físico en respuesta al constituyente o a la condición en el medio. Un dispositivo óptico de medida mide el movimiento de las células musculares y correlaciona este movimiento con los cambios en el nivel del constituyen o en la condición.

2. Descripción del arte relacionado

Distintas aplicaciones utilizan sensores para la medida y control de los niveles de concentración química. Por ejemplo, los niveles de concentración de ciertos productos químicos, por ejemplo, plomo, flúor, etc., en los suministros municipales de agua están típicamente monitorizados, de forma que se mantengan los niveles químicos dentro de un rango predeterminado. Los suministros de agua pueden ser monitorizados también para comprobar la presencia de productos químicos tóxicos.

En entornos en los que puedan estar presentes materiales peligrosos, por ejemplo, emplazamientos industriales, la concentración de los materiales peligrosos en el aire ambiente y en otros fluidos en el emplazamiento puede estar también monitorizada y controlada. De forma similar, en los procesos de fabricación, los niveles químicos en los materiales utilizados durante los procesos se encuentran monitorizados y controlados. En muchas aplicaciones, los sensores se utilizan también para detectar la presencia de parámetros físicos o condiciones tales como la temperatura, presión y el pH.

La monitorización y el control de las condiciones médicas es otra aplicación en la cual los sensores se utilizan los medir y controlar los niveles del constituyente y las condiciones físicas. Las desviaciones de los niveles normales del constituyente en la sangre y en los tejidos corporales están asociadas con numerosas enfermedades y estados fisiológicos. Por ejemplo, los niveles elevados en la sangre y en los tejidos de iones de potasio y de urea se encuentran asociados con enfermedades de los riñones; los niveles elevados de glucosa en la sangre están asociados con la diabetes; y los niveles bajos de tiroxina están asociados con varias enfermedades de la glándula tiroides.

Mis anteriores patentes de los EE.UU. números 5101814 y 5368028 están relacionadas con un método y aparato para la utilización de células vivas implantadas subcutáneamente como sensores, para monitorizar la glucosa en la sangre o bien otros niveles químicos. Las células vivas detectan un constituyente o condición en el tejido del cuerpo y generan una señal química, eléctrica o bien óptica en respuesta a al nivel del constituyente o condición en el tejido que rodea las células. La señal es entonces detectada e interpretada para proporcionar una lectura indicativa del nivel del constituyente o condición. La lectura del sensor puede ser utilizada entonces para determinar la dosis del fármaco, para controlar una bomba implantada, o bien para proporcionar cualquier otro tratamiento deseado.

Las células vivas pueden ser de cualquier tipo de células que sean sensibles a un constituyente específico o condición, y que reaccione ante el constituyente o condición mediante la generación de una señal química, eléctrica u óptica. Por ejemplo, las células alfa y beta del páncreas generan una señal eléctrica predecible en respuesta a los niveles de glucosa en el medio que rodea a las células.

Las células vivas que tienen que ser implantadas pueden estar contenidas en una cápsula impermeable a las grandes moléculas, tal como los anticuerpos, y permeable a las moléculas más pequeñas, tales como los nutrientes. Si las células son del tipo que generan una señal eléctrica en respuesta al constituyente que está siendo detectado, por ejemplo, islotes de Langerhans para detectar los niveles de glucosa en la sangre, los electrodos metálicos de la cápsula miden la señal eléctrica de las células. La generación de señales eléctricas mediante tales células vivas, y la detección de dichas señales, se encuentra descrita en mis patentes antes mencionadas de los EE.UU., y en mis anteriores patentes de los EE.UU. números 5190041 y 5529066.

Aunque las patentes de los EE.UU. números 5101814 y 5368028 exponen el uso de células vivas como sensores, estas células son del tipo de generan una señal eléctrica, química u óptica en respuesta a un constituyente o condición para el cual son sensibles las células. Otros tipos de células, por ejemplo, las células musculares, experimentan un movimiento físico al estar expuestas a un constituyente o condición para el cual son sensibles dichas células. En consecuencia, existe una necesidad de un sensor que utilice el último tipo de células vivas para detectar los niveles del constituyente o de la condición, y de un sistema de medida óptica para detectar el movimiento de las células vivas y para correlacionar el movimiento ante un nivel del constituyente o de la condición, basándose en una respuesta predeterminada característica de las células.

Sumario de la invención

La presente invención es un sistema para monitorizar un constituyente o una condición en un medio según las reivindicaciones adjuntas. El sistema utiliza células musculares vivas que están inmersas en el medio. Las células musculares son sensibles al constituyente o a la condición, y responden ante la exposición del constituyente o condición mediante un movimiento físico.

Un dispositivo óptico de medida mide el movimiento físico de las células musculares y correlaciona el movimiento físico con un nivel o un cambio en el nivel del constituyente o condición en el medio. En una realización, el medio es el tejido del cuerpo humano y las células musculares son implantadas subcutáneamente, bien sea quirúrgicamente o a través de una aguja hipodérmica. Alternativamente, el medio puede ser cualquier fluido en el cual se desee detectar el constituyente o condición para el cual sean sensibles las células.

Se encuentra conectado un dispositivo de salida a un dispositivo óptico de medida. El dispositivo de salida, puede ser por ejemplo: i) una alarma para generar una señal de alarma cuando el nivel del constituyente o condición en el medio se encuentre fuera de un rango predeterminado, ii) una memoria para almacenar el nivel del constituyente o condición a través de un periodo de tiempo; o iii) una pantalla para visualizar el nivel del constituyente o condición.

En una realización, el dispositivo óptico de medida incluye una fuente luminosa para transmitir un haz de luz hacia las células musculares, un reflector montado en las células musculares para reflejar el haz de luz, el ángulo de reflexión que varía con el movimiento físico de las células musculares, y un detector para detectar un cambio en el ángulo de reflexión. Un procesador correlaciona el cambio en el ángulo de reflexión ante un cambio en el nivel del constituyente o condición en el medio.

En una realización alternativa, el dispositivo óptico de medida incluye una fuente luminosa para transmitir un haz de luz hacia las células musculares, y un fotodetector para detectar la cantidad de luz transmitida a su través y alrededor de las células musculares. Las células musculares pueden estar dispuestas entre la fuente luminosa y el fotodetector, o bien las células musculares pueden estar dispuestas entre la fuente luminosa y un reflector, en que el fotodetector está situado para recibir la luz reflejada por el reflector. Un procesador correlaciona un cambio en la refracción de la luz que pasa a través y alrededor de las células musculares con el nivel del constituyente o condición en el medio.

En otra realización alternativa, el dispositivo óptico de medida incluye una fuente luminosa para transmitir un haz de luz hacia las células musculares, y un fotodetector para detectar la cantidad de luz que pasa a través de las células musculares. Las células musculares pueden estar dispuestas entre la fuente luminosa y el fotodetector, o bien las células musculares pueden estar dispuestas entre la fuente luminosa y un reflector, en que el fotodetector está situado para recibir la luz reflejada por el reflector, y para detectar la cantidad de luz que pase a través de las células musculares. Un procesador correlaciona un cambio en la cantidad de luz que pase a través de las células musculares con el nivel del constituyente o condición en el medio.

Pueden fijarse unos electrodos a las células musculares para estimular el movimiento físico de las células musculares. Si las células musculares están implantadas subcutáneamente, el dispositivo óptico de medida está preferiblemente dispuesto al menos parcialmente fuera del cuerpo humano. El dispositivo óptico de medida puede incluir también un transmisor implantado subcutáneamente y un receptor situado fuera del cuerpo, con el transmisor y el receptor situados fuera del cuerpo, en que el transmisor transmitirá información relacionada con el movimiento físico de las células musculares hacia el receptor.

Las células musculares y el detector o reflector pueden estar incluidos dentro de una cápsula. La cápsula incluye i) una membrana la cual es impermeable a las grandes moléculas y permeable a los nutrientes, e ii) una parte que es transparente a la luz.

Finalmente, un sistema para monitorizar un constituyente o una condición en un medio que inclu-
ye:

(a): Células musculares vivas del tipo descrito anteriormente inmersas en el medio;

(b): Una cápsula implantada subcutáneamente que rodea las células musculares vivas, comprendiendo la cápsula una parte transparente; y

(c): Medios para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares a través de la parte transparente y para correlacionar el movimiento físico con un nivel o un cambio en el nivel del constituyente o condición en el medio.

Breve descripción de los dibujos

Las figuras 1A-1B muestran vistas esquemáticas del sistema de la presente invención.

Las figuras 2A-2B muestran vistas esquemáticas de una realización alternativa del sistema de la invención.

Las figuras 3A-3B muestras vistas esquemáticas de otra realización alternativa del sistema de la invención.

La figura 4 muestra una vista esquemática de otra realización alternativa de la invención en la cual las células se encuentran encerradas en una cápsula.

La figura 5 es una vista esquemática de otra realización alternativa de la presente invención, en la cual las células están encerradas en una cápsula.

Descripción detallada de la invención

La presente invención es un sensor en el cual el elemento que ejecuta la detección es una masa de células musculares vivas del tipo que se contraen de una forma predeterminada, o bien reaccionan con un movimiento físico predeterminado, con la exposición ante un constituyente o cuando están sujetas a una condición a la cual son sensibles las células musculares. Las células musculares se sitúan entonces en un entorno en el cual se utilizan para detectar el compuesto químico o condición al cual son sensibles.

Tal como se muestra en la figura 1A, se coloca un detector óptico 12 en la cercana proximidad a las células musculares vivas 10 del tipo descrito anteriormente, con el fin de medir ópticamente la respuesta del movimiento de las células musculares. En una realización preferida, las células musculares 10 están implantadas subcutáneamente y se utilizan para detectar los constituyentes o las condiciones en el cuerpo humano. Para las aplicaciones subcutáneas, la masa celular 10 mide preferiblemente un valor inferior a 1 mm en el diámetro, de forma que las células pueden ser inyectadas a través de una aguja hipodérmica. Para otras aplicaciones, las células pueden colocarse en cualquier entorno en el cual se desee detectar el constituyente o condición para el cual sean sensibles las células.

El detector óptico 12 está situado preferiblemente por encima de la piel, en cualquier carcasa deseada, y las medidas ópticas del movimiento de las células se toma en forma transcutánea. El detector óptico 12 está alimentado eléctricamente mediante baterías preferiblemente, aunque puede utilizarse cualquier fuente de alimentación deseada, y que incluye una fuente luminosa 14, un reflector 16, y un detector 18. La fuente luminosa 14 es una lamparita luminosa, un diodo emisor de luz (LED), un láser, o cualquier otra fuente luminosa apropiada, y que genera un haz de luz en cualquier longitud de onda apropiada. En una realización preferida, el haz de luz es de tipo de infrarrojos o de longitudes de ondas visibles, el cual puede ser transmitido transcutáneamente sin pérdidas inaceptables. El reflector 16 es un espejo, superficie metálica, o cualquier otro material que refleje la luz. El reflector 16 está fijado a las células musculares 10 mediante un adhesivo, o mediante una técnica de fijación apropiada. Si se desea, el reflector 16 puede ser construido a partir de un material no reflector revestido con un material que refleje la luz.

El detector 18 recibe la luz reflejada de reflector 16, y monitoriza el ángulo de la luz reflejada para detectar los cambios en la contracción o movimiento relativo de las células musculares 10. El detector 18 es preferiblemente una matriz lineal de elementos detectores de luz, tales como fotodetectores o dispositivos de carga acoplada (CCD). Cada elemento detector de luz genera una señal de salida indicativa de la cantidad de luz aplicada a dicho elemento, o bien una señal indicativa del momento en que la luz aplicada al elemento excede a un umbral.

Durante la operación, la fuente luminosa 14 dirige un haz de luz 20 transcutáneamente al reflector 16. El reflector 16 refleja entonces la luz transcutáneamente al detector 18. Tal como se muestra en las figuras 1A y 1B, el ángulo de reflexión del haz de luz 20 que alcanza el detector 18 cambia en respuesta a la contracción de las células musculares 10. La figura 1A muestra las células musculares 10 en un estado sin contracción, en la que está iluminado el elemento detector "A". La figura 1B muestra las células musculares 10 en un estado de contracción, en que se encuentra iluminado el elemento detector "B".

Se encuentra conectado un procesador (no mostrado) a una salida del detector 18. El procesador monitoriza los elementos del detector 18 que se encuentran iluminados y determina el cambio, o la velocidad del cambio, en el ángulo de reflectancia del haz de luz 20, basándose en los cambios en los elementos que están siendo iluminados. Las características de la respuesta de las células vivas están predeterminadas, de forma que el procesador incluye una tabla de consulta para correlacionar los movimientos de las células con los cambios del constituyente o condición para el cual son sensibles las células. Una vez que el procesador haya determinado el movimiento angular del reflector, correlacionará^{1} el cambio en el constituyente o condición en el medio en el cual se encuentran situadas las células musculares, basándose en las características predeterminadas de las células musculares.

Si se desea, el procesador puede generar una salida indicativa del nivel del constituyente o condición, generando una señal de alarma, o pueden tomarse medidas correctivas para ajustar el nivel del constituyente o condición a un valor dentro del rango deseado, etc.

Tal como se ha utilizado aquí, las "células musculares vivas" pueden ser de cualquier tipo de materia viviente, sean o no técnicamente células musculares, por ejemplo, conos de crecimiento, que reaccionen con un movimiento físico predeterminado ante la exposición a un constituyente o cuando se sometan a una condición en la cual sea sensible la materia viva. Dichas células o partes de las mismas están sujetas normalmente a contracción, cambiando sus características de contracción con la exposición al constituyente o condición. En general, cuando las células musculares se encuentran en masa, el movimiento físico aquí expuesto se refiere a la contracción o movimiento de la masa, en lugar de referirse a la contracción o movimiento de las células individuales en la masa. El movimiento físico puede ser una variación en la velocidad de contracción de las células musculares, una variación en la magnitud de la concentración, o ambas. Así mismo, otros parámetros de contracción, por ejemplo, duración de la contracción, frecuencia, y similar, pueden ser monitorizados, además o en lugar de monitorizar la intensidad o velocidad de la contracción de las células musculares. En este tipo de célula, la velocidad de contracción de las células musculares cambia en la respuesta a las hormonas tales como la adrenalina, y para los agentes tales como la acetil colina y a distintos bloqueadores beta, así como también con las condiciones físicas tales como el esfuerzo mecánico, temperatura y otros estímulos.

Las células musculares pueden proceder alternativamente a partir del músculo uterino y otros músculos del sistema reproductor femenino, los cuales responden a las hormonas tales como los estrógenos, progesterona, hormona luteinizante (LH), y otras hormonas, mediante el cambio de la velocidad de contracción.

Se observará que pueden utilizarse varios tipos de células musculares en el sistema de la invención, en el supuesto que las células musculares sean sensibles ante la composición o condición que están siendo detectada, y que los aspectos mecánicos del aparato de detección estén modificados de acuerdo con el tipo de respuesta que muestran las células antes la composición o condición. Se observará también que el sistema de la invención puede utilizarse también en diferentes aplicaciones no médicas, tales como en la monitorización del agua, aire o bien otros fluidos para distintos constituyentes o condiciones.

Las figuras 2A-2B muestran una realización alternativa de la invención. Las células musculares vivas 10 del tipo expuesto anteriormente se encuentran implantadas, bien sea por inyección o implantación quirúrgica, o estando colocadas en algún otro medio, con el fin de monitorizar una composición o condición en la que las células 30 sean sensibles en el tejido del cuerpo o en el medio determinado. El aparato óptico de medida 31, que está situado preferiblemente por encima de la piel, incluyendo una fuente luminosa 23 del tipo descrito anteriormente, el cual dirige un haz de luz 36 transcutáneamente sobre las células musculares. Aunque las células musculares son preferiblemente algo transparentes a la luz, el tamaño de la masa celular se selecciona de forma que cuando las células musculares 30 se encuentren en un estado sin contracción (figura 2A), no sea detectable nada del haz de luz 36 por la matriz de fotodetectores 34, bien porque la luz no alcance la matriz o porque la matriz incluya un detector de umbral, y la luz que alcance la matriz no exceda del umbral. Cuando las células musculares 30 se contraen debido a un cambio en la concentración química o a la presencia de la condición, se incrementará la luz que alcance el fotodetector 34. Este incremento, o velocidad de incremento, en la fracción del haz de luz 36 que alcanza el fotodetector 34 puede ser correlacionado con un cambio en el nivel de constituyente o condición mediante un procesador (no mostrado) que esté conectado al fotodetector. Se observará que el procesador puede estar configurado para determinar el nivel de la concentración química o la presencia de la condición, basándose en un cambio en la cantidad de luz que pase por las células musculares y que alcancen el fotodetector. En consecuencia, puede tener lugar alguna detección de la luz en el fotodetector con las células musculares en un estado contraído, si así se desea.

Las figuras 3A-3B muestran otra realización alternativa de la invención. En la figura 3A, las células musculares 30 se muestran en un estado sin contracción. Cuando tenga lugar un cambio en el nivel del constituyente o en la condición, se producirá la contracción de las células musculares 30, tal como se muestra en la figura 3B, cambia la cantidad de luz absorbida por las células musculares debido a la respuesta mecánica de las células musculares. Cuanto más fuerte sea la contracción de las células musculares 30, mayor será el recorrido de la luz a través de las células musculares 30, provocando por tanto una mayor atenuación del haz de luz 36 y alcanzando una menor intensidad de luz el fotodetector 34. Si se utiliza solamente la magnitud de la luz que pase a través de la masa celular en el proceso de correlación, el fotodetector 34 no necesita estar compuesto por una matriz de detectores, aunque en su lugar puede utilizar un único fotodetector que convierta la cantidad de luz recibida en una señal eléctrica.

La figura 4 muestra una realización de la invención en la que una cápsula 40 contiene las células musculares 42 y un reflector 44. La cápsula 40 contiene las células musculares 42 y un reflector 44. La cápsula 40 está implantada preferiblemente debajo de la superficie de la piel 45 de un paciente. Los medios de fijación 46 pueden ser proporcionados mediante la fijación del reflector 44 a las células musculares 42. Los medios de fijación 46 pueden ser virtualmente cualesquiera medios apropiados para fijar las células musculares 42 al reflector 44, incluyendo los medios de fijación mecánicos, medios de fijación químicos, adhesivos y similares. Adicionalmente, las células musculares 42 pueden estar fijadas al reflector en un único punto, tal como se muestra en la figura 4, o en múltiples puntos (no mostrados).

La cápsula 40 comprende las paredes exteriores 47 que se extienden completamente alrededor de las células vivas. Tal como se expone con más detalle más adelante, una parte de las paredes laterales de la cápsula incluye una membrana 48, la cual es impermeable a las moléculas grandes y permeable a los nutrientes necesarios para poder sobrevivir las células musculares. Una parte 49 de la cápsula es transparente para la luz.

El dispositivo óptico de medida externa 50 está posicionado por encima de la piel para medir los cambios en las células musculares. El dispositivo de medida 50 incluye una fuente luminosa 52 para dirigir un haz de luz 53 en el reflector 44, para medir el cambio en cantidad o intensidad de la luz reflejada por el reflector 44, debido al movimiento de las células musculares en respuesta a un cambio en el nivel del constituyente o condición en la proximidad de las células musculares. Un procesador 56 conectado al detector 54 determina el movimiento de las células musculares a partir de la cantidad de luz recibida en el detector, y correlaciona esto con el cambio en el nivel del constituyente o condición. Esta información se transmite a los medios de salida 58, los cuales pueden ser una pantalla, una alarma, o bien cualquier otro dispositivo de salida apropiado, o la información puede sencillamente ser grabada para una reproducción posterior. Los medios opcionales para la toma de medidas correctoras 60, por ejemplo, una bomba, están conectados a los medios de salida 58.

El dispositivo de salida 50 es preferiblemente de tipo portátil de mano o bien estar fijado a la piel en forma cercana al lugar en donde se ha implantado la cápsula 40. Por ejemplo, el dispositivo de medida 50 puede fijarse con una cinta al cuerpo al igual que un reloj de muñeca, aplicado sobre un parche adhesivo, o bien puede fijarse mediante otros medios de fijación tales como adhesivos y similares. Con el fin de mantener la alineación del dispositivo de medida con la cápsula, puede efectuarse una fijación transcutánea, por ejemplo, con un hilo muy fino, entre el dispositivo de medida y la cápsula. Para aplicaciones no médicas, el alineamiento puede mantenerse mediante cualquier estructura física apropiada.

Durante la operación, la fuente luminosa 52 transmite un haz de luz 53 a través de las células musculares 42, y de vuelta al detector 54. Un cambio en la concentración química o en la condición para la cual son sensibles las células afectará a la contracción de las células musculares 42, lo cual provoca un cambio detectable en la intensidad del haz luminoso 53 reflejado por el reflector 44 de retorno al detector 54. El detector 54 detecta el cambio, o velocidad del cambio, en la intensidad del haz luminoso 53, y el procesador 54 correlaciona este cambio con las características de respuesta predeterminadas de las células musculares.

La figura 5 muestra otra realización incluso de la invención. La cápsula implantada subcutáneamente 70 rodea las células musculares 72 y el fotodetector 74. Los medios de fijación 76 sujetan las células musculares 72 al fotodetector 74. Una parte de las paredes exteriores 78 de la cápsula comprenden una membrana 79, la cual es impermeable para las moléculas grandes y permeable para los nutrientes necesarios para sobrevivir las células musculares 72. La cápsula 70 tiene una parte 80 que es transparente a la luz.

El transmisor 18 recibe y amplifica la salida del fotodetector 74, y transmite la salida a la superficie de la piel. El dispositivo de medida 82, el cual está situado por encima de la superficie de la piel, incluye una fuente luminosa 83, la cual genera un haz de luz 92, y un receptor 84. El transmisor 81 y el receptor 84 son preferiblemente compatibles, de forma que la señal generada por el transmisor 81 pueda ser recibida por el receptor 84. El transmisor 81 es preferiblemente un transmisor convencional de radiofrecuencia (RF) o bien de microondas. La alimentación eléctrica puede ser suministrada directamente al transmisor por los medios de una batería o condensador precargado (no mostrado) que se encuentre implantada con la cápsula, mediante medios indirectos desde la parte superior de la piel tal como mediante un acoplamiento inductivo o capacitivo, o mediante la implantación de una fotocélula que alimente al transmisor, utilizando la luz de la fuente luminosa 83. El transmisor 81 puede ser de cualquier tipo de dispositivo de comunicaciones, capaz de transmitir una señal desde debajo de la superficie de la piel hasta la parte superior por encima de la superficie de la piel. El procesador 86 correlaciona el movimiento mecánico de las células musculares con un cambio en la concentración química o con la presencia de la condición ante las cuales sean sensibles las células. El procesador transmite el valor correlacionado a una salida o dispositivo de almacenamiento 88. Los medios opcionales para generar una señal de alarma o para la toma de medidas correctivas 90 están conectados a los medios de salida 88.

Durante la operación, la cápsula 70 está implantada debajo de la superficie de la piel 91 del paciente. Debido al tamaño del transmisor, puede ser necesario el procedimiento quirúrgico para la implantación. El dispositivo de medida 82 se mantiene sobre la cápsula, o fijado al cuerpo del paciente cerca del emplazamiento de la cápsula. La fuente luminosa 83 dirige un haz de luz 92 a través de las células musculares 72 al fotodetector 74. El transmisor 74 amplifica y transmite la señal recibida por el fotodetector 74, la cual es detectada telemétricamente a través de la superficie de la piel 91 por el receptor 84.

Muchos tipos de células musculares muestran espontáneamente el movimiento físico aquí descrito, por ejemplo, la contracción, con cambios en el movimiento, por ejemplo, cambios en la magnitud, velocidad, duración, frecuencia, etc., de la contracción, ante la exposición al constituyente o condición, siendo también espontánea. Otros tipos de células musculares pueden no responder espontáneamente ante el constituyente o condición para el cual sean sensibles las células, pero precisan de un estímulo externo para poder mostrar dicha respuesta. En consecuencia, los electrodos opcionales 93 se proporcionan en contacto con las células musculares para estimular eléctricamente en forma periódica las células musculares 72. Los electrodos están alimentados eléctricamente mediante una batería o bien otra fuente de alimentación, y se emplean para provocar que las células musculares respondan a los cambios en el nivel de la composición o condición. En la práctica, las células se estimulan mientras que la luz está siendo dirigida sobre las células y mientras que se toman las medidas del movimiento. De esta forma, las células muestran la respuesta deseada, por ejemplo, la contracción a una velocidad o la magnitud relacionada con el nivel del constituyente o condición, mientras que se toman las medidas del movimiento.

En una realización alternativa (no mostrada), el sistema presente se utiliza en combinación con un sistema para detectar las características eléctricas, químicas u ópticas de las células, según se expone en la patente de los EE.UU. número 5368028. La utilización de dos tipos de señales generadas por la masa celular proporciona una precisión mejora del sistema.

En las realizaciones de la invención en las que las células están contenidas en una cápsula, es preferible que la implantación se efectúe en un emplazamiento en donde la piel sea delgada y relativamente transparente, tal como en la parte interna (plantar) de la parte distal del antebrazo. En general, la cápsula es del tipo descrito en mis anteriores patentes. La cápsula es preferiblemente de 0,3-1,0 mm de tamaño, aunque la cápsula puede ser dimensionada para cumplir los requisitos de la aplicación. Al menos alguna parte de la pared de la cápsula incluye una membrana semipermeable que permita que los nutrientes y excreciones puedan entrar y salir de la cápsula mientras que se bloquea el movimiento de grandes moléculas tales como las proteínas y anticuerpos que tengan pesos moleculares de aproximadamente 30000 - 50000. La difusión hacia dentro de los nutrientes y la difusión hacia fuera de las excreciones en la cápsula deberán ser suficientes para soportar la supervivencia de las células musculares a largo plazo.

Si se utiliza en aplicaciones médicas, la cápsula se construye preferiblemente con materiales biocompatibles tales como el PSF (polisulfona), y polímeros de PVC/PAN (cloruro/poliacrilonitrilo de polivinilo).

Se observará que aunque se ha descrito la presente invención con detalle con respecto a realizaciones en particular, puede ser modificada según las formas que se observen por técnicos especializados en el arte. Por ejemplo, cuando un haz de luz está siendo aplicado a las células musculares, se produce una sombra. Podría utilizarse un detector para detectar el movimiento de la sombra, y correlacionar este movimiento con los cambios en el constituyente o condición, para el cual son sensibles las células. El movimiento de la sombra puede ser detectado utilizando cualquier técnica moderna de detección apropiada.

En general, aunque la presente invención se ha descrito con detalle con respecto a ciertas realizaciones y ejemplos, existen variaciones y modificaciones que se encuentran dentro del alcance de la presente invención según lo definido en las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. Un sistema para monitorizar un constituyente o una condición en un medio, utilizando células vivas, que comprende:

(a): células musculares vivas (10, 30, 42, 72) las cuales hayan sido extraídas y aisladas de un cuerpo animal con antelación a la incorporación en el sistema, en el que las características de contracción de las células cambian con la exposición ante el constituyente o condición en el medio, con el movimiento físico resultante de las células;

(b): una cápsula implantable subcutáneamente (40, 70) que rodea las células musculares vivas (10, 30, 42, 72), comprendiendo la cápsula 1) una parte transparente, 2) una membrana que es impermeable a las moléculas grandes, y permeable a los nutrientes, y 3) una parte que es transparente a la luz; y

(c): medios (12, 31, 50, 82) en alineamiento óptico con las células musculares (10, 30, 42, 72) para medir ópticamente el movimiento físico de las células, y para correlacionar el movimiento físico con un nivel o un cambio en el nivel del constituyente o condición en el medio.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el medio es un cuerpo humano, y en el que las células musculares (10, 30, 42, 72) están adaptadas para ser implantadas subcutáneamente en el cuerpo.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo además un dispositivo de salida (58) conectado a los medios (12, 31, 50, 82) para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72), siendo seleccionado el dispositivo de salida (58) de un grupo que comprende i) una alarma para generar una señal de alarma cuando el nivel del constituyente o condición en el medio se encuentre fuera de un rango predeterminado; ii) una memoria para almacenar el nivel del constituyente o condición a través de un periodo de tiempo; e iii) una pantalla para visualizar el nivel del constituyente o condición.

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 en el que los medios (12, 31, 50, 82) para la medida óptica del movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) comprende:

una fuente luminosa (14, 32, 52, 83) para transmitir un haz luminoso (36, 53, 92) hacia las células musculares (10, 30, 42, 72);

un reflector (16, 44) montado en las células musculares (10, 30, 42, 72) para reflejar el haz de luz (36, 53, 92), en el que el ángulo de reflexión varía con el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72); y

un detector (18, 34, 54, 74) para detectar un cambio en el ángulo de reflexión.

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además:

un procesador (56) para correlacionar el cambio en el ángulo de reflexión con un cambio en el nivel del constituyente o condición en el medio.

6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios (12, 31, 50, 82) para la medida óptica del movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) comprende una fuente luminosa (14, 32, 52, 83) para transmitir un haz de luz (36, 53, 92) hacia las células musculares (10, 30, 42, 72) y un fotodetector (18, 34, 54, 74) para detectar la cantidad de luz que pasa a través o que es transmitida más allá de las células musculares (10, 30, 42, 72).

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que las células musculares (10, 30, 42, 72) están dispuestas entre la fuente luminosa (14, 32, 52, 83) y el fotodetector (18, 34, 54, 74).

8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que los medios (12, 31, 50, 82) para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) comprenden además un reflector (16, 44), estando dispuestas las células musculares (10, 30, 42, 72) entre la fuente luminosa (14, 32, 52, 83) y el reflector (16, 44), estando posicionado el fotodetector (18, 34, 54, 74) para recibir la luz reflejada por el reflector (16, 44).

9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que los medios (12, 31, 50, 82) para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) comprenden además un procesador (56) para correlacionar un cambio en la fracción de luz que pase más allá de las células musculares (10, 30, 42, 72) hasta el nivel del constituyente o condición en el medio.

10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios (12, 31, 50, 82) para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) comprenden además una fuente luminosa (14, 32, 52, 83) para transmitir un haz de luz (36, 53, 92) hacia las células musculares (10, 30, 42, 72), y un fotodetector (18, 34, 54, 74) para detectar la cantidad de luz que pase a través de las células musculares (10, 30, 42, 72).

11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además unos electrodos (93) fijados a las células musculares (10, 30, 42, 72) para simular el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72).

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los medios (12, 31 50, 82) para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) están al menos dispuestos fuera del cuerpo humano.

13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los medios (12, 31, 50, 82) para medir ópticamente el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) comprenden un transmisor implantado subcutáneamente (81) y un receptor (84) situado fuera del cuerpo, en el que el transmisor (81) transmite información relacionada con el movimiento físico de las células musculares (10, 30, 42, 72) hacia el receptor (84).