Avance de Tesis Luis Fernando Valdez Garduño
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I. CENTRO DE INVESTIGACIN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS
DEL INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA
SECCIN DE BIOELECTRNICA
"Desarrollo de un olfactmetro controlado por computadora para el
anlisis clnico"
Avance de Tesis de Maestra
Ing. Luis Fernando Valdez Garduo
Director de la Tesis:
Dr. Juan Manuel Gutirrez Salgado
Mxico, D.F. 28 Noviembre 2013
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1. Resumen
Los procesos sensitivos son la manera en que un ser vivo puede obtener
retroalimentacin sobre su interaccin con el ambiente; permitiendo determinar su
reaccin ante cada estimulo. Uno de estos procesos es el olfato que en conjunto con el
gusto son conocidos como los sentidos qumicos ya que permiten distinguir ciertos
compuestos transportados por el aire o los alimentos. Esta percepcin puede
desencadenar una amplia gama de reacciones que provocan el rechazo o incitacin de
ciertos alimentos, as como su correspondiente relacin con las respuestas hormonales
y emocionales. No cabe duda que estos dos sentidos estn altamente relacionados,
muchas veces el estimulo olfatorio suele complementar al gusto e incluso llegar a
provocar la sensacin de sabor. El olor de un alimento influye directamente en la
preferencia a ingerirlos. Esta vinculacin del olfato con la ingesta de alimentos es un
tema de inters cientfico cuyo desarrollo puede permitir la identificacin de aquellos
elementos involucrados en trastornos como la ansiedad por la comida y la obesidad.
Para lograr dicho propsito es necesario contar con el instrumental adecuado para
identificar las reacciones que producen los estmulos olfatorios. "El olfactmetro es el
instrumento utilizado para medir la sensibilidad del sentido del olfato con respecto a
intensidad, concentracin y calidad de un olor" [1]. Su uso junto con tcnicas como la
Electroencefalografa y la Resonancia magntica funcional permite identificar las
reacciones que a nivel cerebral son producidos por diferentes estmulos olfatorios.
El objetivo principal de esta tesis es el diseo de un olfactmetro que pueda ser
utilizado en conjunto con las tcnicas ya mencionadas. Adems de lograr identificar por
medio de EEG las zonas y patrones de activacin para distintos olores para un anlisis
posterior destinado a discriminar entre olores apetecibles o no apetecibles y su relacin
con la ansiedad por comer.
El olfactmetro contar con 4 vas para la seleccin de odorantes, capacidad de
seleccionar mediante una PC el protocolo de prueba que se aplicara, debe ser poco
propenso a contaminacin por bacterias y/o olores y debe poder ser utilizado sin
necesidad de instalaciones especiales.
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2. Planteamiento del problema.
En el mundo las practicas clnicas para el diagnostico de enfermedades rara vez se
incluyen pruebas de la funcin olfativa, por lo regular solo son indicadas cuando el
propio sujeto ya ha notado una alteracin. Esto se puede atribuir no solo a la falta de
difusin de las pruebas entre los mdicos sino tambin al poco desarrollo en el rea,
debido principalmente a que no se considera discapacitante la prdida o disminucin de
la funcin olfatoria. Recientemente se ha observado que dichas alteraciones se pueden
relacionar en un gran nmero de casos con enfermedades degenerativas o patologas
graves, como la diabetes, alzhimer o tumores cerebrales[2,3,4].
Del mismo modo, existen trastornos que se relacionan con el olfato sin mostrar
alteraciones en el mismo como pueden ser la Osmofobia que consiste en una reaccin
de miedo ante ciertos olores o la presencia de desordenes alimenticios que se
desencadenan ante un estimulo olfatorio, por ejemplo la compulsin por ingerir
alimentos de alto contenido calrico. De aqu la necesidad de contar con un instrumento
verstil capaz de detectar alteraciones de la funcin olfatoria que complementen un
diagnostico clnico.
3. Antecedentes
Los procesos sensitivos son la manera en que un ser vivo puede obtener
informacin sobre el ambiente; permitiendo determinar su reaccin ante cada estimulo.
Su comportamiento por tanto se basa en una dinmica estimulo-reaccin.
El sentido del olfato en particular, se caracteriza por su alta sensibilidad, pues es
capaz de reaccionar ante la presencia de un bajo nmero de molculas. Sin embargo
es el menos estudiado en el humano, por lo que las relaciones estimulo-reaccin no
estn claramente descritas pero sabemos de su capacidad para: Identificar situaciones
potencialmente peligrosas como algn alimento en descomposicin, auxiliar al gusto en
la identificacin de sabores, generar algunas respuestas digestivas, hormonales y
emocionales.
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La subjetividad que existe en su interpretacin hace difcil percibir anomalas en el
mismo. De aqu la necesidad de poder evaluar de una manera objetiva las respuestas
que se tienen ante el estimulo olfativo. Para lograrlo existen una serie de tcnicas
utilizadas en la actualidad que se explicaran brevemente a continuacin.
Exploracin bsica e historia clnica. Implica una evaluacin del historial mdico
tanto del paciente como de los familiares en busca de anomalas, as como un
cuestionario en caso de que el paciente tenga consciencia de una alteracin. Adems
de una exploracin exhaustiva de las fosas nasales prestando principal tencin al piso
superior de las mismas. Tambin es necesaria la exploracin de la totalidad de los
pares craneales y el sentido del gusto para descartar probables enfermedades
sistmicas.
Biopsia del epitelio olfatorio. La biopsia del epitelio se usa para estudiar el
sustrato anatomoptologico en busca de patrones de degeneracin de la mucosa en las
distintas patologas. No se considera una prueba de rutina debido a lo invasivo de la
misma.
Olfactometra. Es una prueba diseada para controlar y manipular la concentracin
de los olores, valorar el estado olfativo de los seres vivos, en situacin normal o
patolgica, as como cuantificar los resultados e interpretarlos. Posteriormente se
explicara de manera ms detallada.
Tomografa Computarizada. Una de las tcnicas ms aplicada, se utiliza para
localizar posibles fracturas sobre el etmoides y tumores que afecten la regin o el bulbo
olfatorio.
Resonancia magntica(RM) y resonancia magntica funcional(RMf). Es til para
el anlisis detallado de los tejidos blandos permitiendo encontrar tumores,
malformaciones y lesiones. La RMf agrega el estudio de las zonas de activacin del
cerebro haciendo posible determinar cuales se activan a distintos estmulos y
determinar posibles patologas si estos no son los esperados. [5]
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Olores:
Una parte importante para el estudio del sentido del olfato es el anlisis y
clasificacin de los olores, esta clasificacin se torna difcil debido a la subjetividad que
representa el agrupar todos los olores en grandes grupos definidos o cualidades del
olor. Se han propuesto distintos sistemas de clasificacin siendo una de las primeras la
clasificacin de Carolous Linoaeus(1707-1778) el cual sugiri clasificar los olores en
siete categoras alcanforados, almisclados, florales, mentolados, con olor a ter,
pungentes y ptridos. Posteriormente Hendrik Zwaardemaker (1857-1930) propuso 9
categoras: con olor a ter, aromticas, fragantes, ambrosiacos, aliceos,
empireumticos, caprino, ftido y nauseabundo. Un sistema un poco ms elaborado fue
el propuesto por Hans Henning en 1916, clasificando los olores con una posicin dentro
de un prisma, usando 6 olores como olores primarios(frutal, floral, nauseabundo,
quemado, resinoso y picante) como se muestra en la Fig. 1.
Fig.1 Prisma de Henning de clasificacin del olor
Sin embargo a pesar de los esfuerzos hasta la fecha no existe un acuerdo para la
clasificacin de los olores. Esto se debe a que la percepcin de los olores cambia en
cada regin o cultura, ya que para algunos un aroma desagradable puede ser comn
debido a sus actividades diarias y entorno o simplemente puede ser desconocido. [6]
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Olfatometra.
Como se menciona anteriormente la olfatometra es una prueba diseada para
controlar y manipular la concentracin de los olores, con el fin de evaluar el estado del
sistema olfatorio de los seres vivos. Se puede utilizar este tipo de estudio en una gran
variedad de seres vivos por ejemplo insectos para ver su preferencia a ciertas
substancias y seleccionar el mejor repelente o en mamferos de talla chica como ratas
para ver los efectos de la exposicin a ciertas concentraciones de un olor. En el
humano la va ms frecuente para la transmisin de un olor es la nasal pero se debe
tomar en cuenta que existen otras vas como corresponde a la inoculacin por va
intravenosa. Generalmente los olores suelen ser administrados mediante un dispositivo
auxiliar como una mscara, cnula o cabina. La olfatometra se divide en dos grandes
grupos individual y colectiva.[5]
En la olfactometra individual como su nombre lo indica se analiza la respuesta
olfatoria de solo un sujeto, buscando encontrar el umbral de olfaccin para cierta
substancia o grupo de substancias. Dicho estudio puede ser cuantitativo en el que se
determina la concentracin a la cual es detectada su presencia o cualitativo el cual se
enfoca en caractersticas como la capacidad de diferenciar olores.[5]
En la olfactometra colectiva o ambiental, se busca a travs de un panel de prueba
con sujetos seleccionados/entrenados detectar las condiciones organolpticas
ambientales que pueden llegar a influir en la comunidad. Un ejemplo es el muestreo de
una zona urbana y posterior exposicin al colectivo para determinar grados de
contaminacin olfativa.[5]
Tipos de olfactmetro:
Pasivos: Aprovechan los movimientos respiratorios para que el olor penetre la
cavidad nasal, no se controlar los factores externos como humedad, temperatura o
diluciones.
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Activos: Transmiten el olor por una corriente permanente de gas que se escapa de
las rutas fisiolgicas pero pueden ser controlados los factores externos.
4. Estado del arte.
Dentro de los trabajos realizados recientemente en el rea se encuentran una serie
de olfactmetros que muestran algunas caractersticas mejoradas segn su aplicacin,
algunas de ellas relacionadas con la portabilidad, mayor resolucin en las diluciones,
estabilidad temporal de los olores, etc. A continuacin se mencionan de manera general
algunos de estos trabajos.
En 2010 Johan N. Lundstrm et. al. presentan en su trabajo "Mtodos para la
construccin de un olfactmetro econmico controlado por computadora para
experimentos precisos en tiempo" un olfactmetro de "bajo costo" sencillo de construir y
controlado por computadora mediante E-Prime(Software para el diseo y control de
experimentos). Permite el uso de odorantes tanto slidos como lquidos y exhibe una
respuesta rpida y estable. El sistema se compone por un compresor como fuente de
aire, una etapa de filtrado y secado utilizando un filtro comercial modificado para
contener desecante y carbn activado, la salida del filtro se divide en 9 canales
independientes cada uno con un regulador manual y medidor de flujo de lectura directa
para poder elegir los flujos de cada odorante o poder cerrar algn canal que no se
utilice. Uno de ellos es utilizado como flujo de aire continuo que asegura que el paciente
no sea capaz de anticipar el estimulo olfatorio por los cambios de flujo de aire y otro es
utilizado para hacer la dilucin entre aire limpio y olorizado. Los contenedores de los
odorantes son diferentes para muestras liquidas y solidas y son elaborados con
policarbonato o vidrio. Para presentar el aire al sujeto de prueba se utiliza una pequea
cabeza de mezcla en la cual se introduce el flujo de aire olorizado, el no olorizado y el
flujo continuo, como salida se tienen 2 conexiones las cuales van a las fosas nasales.
La caracterizacin de la respuesta temporal del dispositivo se hizo utilizando un
detector de foto-ionizacin mientras en las medidas de concentracin se utilizo
cromatografa de gases y espectrometra de masas. Para observar el comportamiento
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al interactuar con un sujeto de prueba se monitoreo la respuesta de conductividad en la
piel para ver si existe reaccin ante el cambio de flujo y el EEG con los electrodos
centrales (Fz,Cz,Pz y Oz) en busca de los potenciales evocados olfativos, otra prueba
que se llevo a cabo fue exponer a los pacientes a un flujo de aire variable de aire para
determinar si existe dolor durante una exposicin prolongada ya que no se encuentra a
la temperatura del cuerpo y est libre de humedad; sin presentarse dolor considerable
en pruebas de 40 minutos.[7]
En 2012 J.Ulrich et. al. presentan en el trabajo titulado "Olfactmetro mvil para
estudios de resonancia magntica funcional" un olfactmetro compatible con los
estudios de resonancia magntica funcional (RMf) por lo que los componentes que
interaccionan con el paciente deben ser no conductivos y no magnticos. El diseo fue
enfocado a ser simple y econmico, por lo que se utilizaron componentes estndar
(industriales y de laboratorio). Dividindose en 3 secciones principales "toma de aire,
control y distribucin", " Seccin de odorantes" y " seccin de administracin". La
seccin de toma de aire, control y distribucin se compone por un medidor de flujo el
cual se conecta a una toma de aire limpio del hospital o clnica para ser ajustado el flujo
mediante la vlvula del mismo. El aire posteriormente se divide y pasa por 4
electrovlvulas que se conectan antes de los recipientes de los odorantes su seleccin.
Los recipientes de los odorantes son 4 lavadores de gas en los cuales son puestos las
muestras liquidas para exponer el aire a la mxima superficie posible del odorante. La
seccin de administracin consta de mangueras que se conectan 10 cm antes de la
nariz del sujeto en una va que mide 5cm la cual termina en una conexin en Y para
ser administrado a cada fosa nasal con un flujo total de 2L/min. Se comprob la
correcta estimulacin mediante pruebas de RMf a 21 pacientes normosmicos en los
cuales se vio la activacin tpica de las zonas cerebrales.[8]
Finalmente en este ao (2013) C.Sezille et. al. presentan "Un aparato experimental
portable para estudios de resonancia magntica funcional en humanos". En este trabajo
se diseo un olfactmetro enfocado a ser utilizado en estudios de RMf. Dentro de sus
caractersticas principales se mencionan la portabilidad, bajo costo y el hacer el registro
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de la seal respiratoria y percepcin dentro del mismo dispositivo. Cuenta con una
interfaz USB y RS232 para poder ser controlado mediante la PC.
Y puede ser descrita en cinco mdulos (Fig. 2): Fuente y tratamiento de aire,
estimulador(vlvulas y control electrnico) y fuentes de olor , Cabeza de mezclado,
Sensor de flujo respiratorio y caja de respuesta(botones para indicar cundo se percibe
el olor), por ltimo el software de control (Labview).
Fig. 2 Diagrama a bloques del olfactmetro.
Este sistema muestra la particularidad de detectar el flujo respiratorio para disparar la
estimulacin olfativa en el momento de la inhalacin, la cantidad de olores que pueden
ser mezclados dependen de la cabeza de mezclado y recipientes con los odorantes
siendo el mximo 15.
Se utilizaron controladores de flujo de masa para regular las concentraciones de los
odorantes y se validaron los resultados mediante deteccin por foto-ionizacin
mostrando que efectivamente la percepcin de intensidad en el olor tiene una relacin
lineal con la concentracin del odorante presentado. Y las pruebas de RMf mostraron
activacin de las zonas olfatorias tpicas. [9]
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5. Objetivos
5.1. Objetivo principal
Disear y construir un olfactmetro de flujo de aire de al menos cuatro vas capaz de
estimular a pacientes con diferentes olores. El prototipo, ser probado en una primera
etapa mediante una electro encefalografa(EEG) que permita verificar la actividad
elctrica en el cerebro ante los estmulos aromticos. Para finalmente formar parte de
las investigaciones sobre obesidad en el Hospital Infantil de Mxico Federico Gmez,
en donde se corroborar que los estmulos olfativos de los pacientes son identificados
mediante resonancia magntica funcional y bioqumica hormonal tradicional.
5.2. Objetivos particulares
Disear y construir la etapa de control de flujo y seleccin de odorantes del
instrumento.
Disear y construir la etapa de administracin del instrumento (presentacin
de olores al sujeto de prueba).
Establecer un protocolo de pruebas para la adquisicin de potenciales
evocados olfativos.
Realizar pruebas y adquirir las seales de EEG con el protocolo propuesto.
Analizar las seales adquiridas para la obtencin de posibles caractersticas
comunes entre olores y sujetos.
6. Solucin propuesta
Se propone un olfactmetro que sea fcilmente transportable y que no requiera de
instalaciones especiales para ser utilizado.
Su diseo general consta de 5 secciones principales: Fuente de aire, Etapa de
acondicionamiento del aire, Control de odorantes, Control de Flujo y Etapa de
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administracin. A continuacin se describe de una manera ms detallada la funcin y
componentes de cada seccin (Fig. 3).
Fuente de Aire: Se compone por 2 bombas de aire de DC las cuales alimentan la
etapa de tratamiento de aire y son controladas para brindar el flujo requerido en la
prueba (mximo 5L/min) y controlar las diluciones. Con la finalidad de que solo sea
necesaria una fuente de corriente para que el dispositivo funcione y esta puede ser una
batera.
Tratamiento de Aire: Se compone por un filtro de carbn activado para la eliminacin
de partculas y olores, de ser necesario se integrara una etapa de humidificacin y
control de temperatura.
Control de odorantes:
En esta seccin se selecciona mediante un microcontrolador y electrovlvulas que
odorantes sern administrados, se contara con las vlvulas necesarias para evitar
contaminacin de un odorante a otro. El numero de odorantes que se plantea manejar
es de un mximo de 5 a la vez.
Control de flujo: En esta seccin se utilizaran dos sensores de flujo los cuales
servirn para ajustar la relacin entre el flujo de aire limpio y el flujo que porta a los
odorantes y el microcontrolador que regulara el funcionamiento de las bombas de aire
para mantener estable el flujo y dilucin solicitada.
Seccin de administracin: En esta seccin se mezclan los flujos de aire limpio y
olorizado para ser presentados a las fosas nasales del sujeto de prueba. Esta seccin
cambiara dependiendo el tipo de estudio que se realice y la anatoma del sujeto de
prueba.
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Fig. 3 Diagrama a bloques del olfactmetro propuesto. (Flecha gris corriente de aire limpio, Flecha
negra corriente de aire olorizado y flecha punteada control electrnico)
En cuanto a los materiales se utilizaran aquellos que son inertes y poco susceptibles
a contaminacin por olores para reducir los gastos de mantenimiento y pruebas. Por lo
que las partes que pueden requerir sustitucin continua solo son las que entran en
contacto con el paciente de forma directa y los recipientes de los odorantes cuando se
requiera utilizar un odorante diferente.
El registro de las seales de EEG para la deteccin de los potenciales evocados
relacionados a los eventos olfativos se realizara colocando un electrodo en las
posiciones centrales(Pz, Cz, Fz) y tambin de las posiciones C3 y C4 del sistema 10/20
con referencia en los lbulos de las orejas. Teniendo cuidado de evitar posibles
seales interferentes como el parpadeo, movimiento ocular u otros potenciales. Para lo
que se requiere formular un protocolo de pruebas donde se establezca una serie de
ejercicios simples que el sujeto de prueba deba realizar con la finalidad de hacer ms
uniformes los resultados de la prueba. La seleccin de los electrodos se hizo en base a
la posicin del lbulo olfatorio y las referencias consultadas.
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7. Cronograma de plan de trabajo
Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Recopilacin y lectura de
bibliografa.
Definir las caractersticas
mnimas del dispositivo en
base a bibliografa.
Diseo Neumtico del
dispositivo y seleccin de
materiales.
Diseo electrnico del
dispositivo
Construccin de la etapa de
Fuente y tratamiento de Aire.
Enero Febrero Marzo Abril
Construccin de la etapa de
control de odorantes.
Diseo y manufactura de los
recipientes de odorantes.
Construccin y programacin
de la etapa de control de flujo.
Calibracin y prueba.
Elaboracin del protocolo de
prueba para adquisicin de
EEG.
Mayo Junio Julio Agosto
Pruebas con EEG.
Interpretacin de EEG para
relacionar accin estimulo
Redaccin de la tesis
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8. Referencias
[1] olfactometer. Merriam-Webster Dictionary. United States: Encyclopdia Britannica, 2013.
[2] Y. Masaoka, C. Pantelis, A. Phillips, M. Kawamura, M. Mimura, G. Minegishi, and I.
Homma, Markers of brain illness may be hidden in your olfactory ability: A Japanese
perspective., Neurosci. Lett., vol. 549, pp. 1825, Aug. 2013.
[3] C. Ros, I. Alobid, S. Centellas, J. Balasch, J. Mullol, and C. Castelo-Branco, Loss of smell
but not taste in adult women with Turners syndrome and other congenital hypogonadisms.,
Maturitas, vol. 73, no. 3, pp. 24450, Nov. 2012.
[4] R. S. Weinstock, H. N. Wright, and D. U. Smith, Olfactory dysfunction in diabetes
mellitus., Physiol. Behav., vol. 53, no. 1, pp. 1721, Jan. 1993.
[5] J. Chacn Martnez, J.M. Morales Puebla, J. A. Jimnez Antoln (2013, Octubre, 17) Libro
virtual de formacin en ORL (1ra edicin) [Online] Capitulo 61. Available:
http://www.seorl.net/gestor/upload/61clv.pdf
[6] C. M. Philpott, a Bennett, and G. E. Murty, A brief history of olfaction and
olfactometry., J. Laryngol. Otol., vol. 122, no. 7, pp. 65762, Jul. 2008.
[7] J. N. Lundstrm, A. R. Gordon, E. C. Alden, S. Boesveldt, and J. Albrecht, Methods for
building an inexpensive computer-controlled olfactometer for temporally-precise experiments.,
Int. J. Psychophysiol., vol. 78, no. 2, pp. 17989, Nov. 2010.
[8] J. U. Sommer, W. Maboshe, M. Griebe, C. Heiser, K. Hrmann, B. a Stuck, and T.
Hummel, A mobile olfactometer for fMRI-studies., J. Neurosci. Methods, vol. 209, no. 1, pp.
18994, Jul. 2012.
[9] C. Sezille, B. Messaoudi, a Bertrand, P. Joussain, M. Thvenet, and M. Bensafi, A
portable experimental apparatus for human olfactory fMRI experiments., J. Neurosci. Methods,
vol. 218, no. 1, pp. 110, Aug. 2013.
http://www.seorl.net/gestor/upload/60clv.pdf