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SISTEMA PARA LA CARACTERIZACIÓN DINÁMICA DE LA MEDICIÓN ÓPTO-
ELECTRÓNICA DE TOXINAS URÉMICAS EN EL LÍQUIDO DE DIALIZADO:
RESULTADOS PRELIMINARES
Conference Paper · November 2016
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4 authors:
Abel Calle Herranz
Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría
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Gretchen Camacho Cedeño
Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, Cuba (CUJAE)
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María Elena Martínez
Universidad Pública de Navarra
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Angel Regueiro-Gómez
Universidad Tecnológica de La Habana "José Antonio Echeverría" (CUJAE)
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1 
 
SISTEMA PARA LA CARACTERIZACIÓN DINÁMICA DE LA MEDICIÓN ÓPTO-ELECTRÓNICA DE 
TOXINAS URÉMICAS EN EL LÍQUIDO DE DIALIZADO: RESULTADOS PRELIMINARES 
 
Abel Calle Herranz1, Gretchen Camacho Cedeño2, María E. Martínez Hernández3, Angel Regueiro-Gómez4 
 
1 Centro de Servicios Técnicos de Electromedicina (Prov. La Habana). 
2 Dpto. de Matemática (CEMAT), ISPJAE 
3,4 Dpto. de Bioingeniería (CEBIO), ISPJAE 
 
Email: abel.calle@infomed.sld.cu 
 
RESUMEN: 
Cuando ocurren fallas en el funcionamiento de los riñones de forma abrupta o de forma lenta las personas 
sufren de Insuficiencia Renal Aguda o Crónica, entonces como alternativa final son sometidas a un proceso de 
hemodiálisis donde se hace necesario la caracterización de varias componentes morfo-fisiológicas del sujeto y 
entre estas se encuentra la medición de creatinina como método eficaz para medir los niveles de esta 
enfermedad. El método clásico se basa en tomar una muestra de sangre, trasladarla al laboratorio clínico de la 
institución, centrifugar la muestra para separar el suero sanguíneo, y adicionarle a este un reactivo químico-
biológico que permite la detección de la concentración de creatinina por espectrometría. Este método suele ser 
costoso debido a la dependencia del reactivo empleado, suele ser complejo por los diversos instrumentos 
utilizados en el laboratorio, y demorado por el manejo clínico de la muestra. 
 
Esta investigación propone un nuevo sistema para caracterización de la medición directa (‘On line’) de 
absorbancia del líquido de dializado y su relación con el nivel de toxinas del sujeto. El sistema está compuesto 
por un bloque transmisor (generador, convertidor tensión/corriente y LED emisor con 480 nm < ʎ < 510 nm), 
un bloque receptor (fotodiodo, canal de acondicionamiento de señal) y un bloque de control basado en el 
empleo de un microcontrolador. Se realizó un análisis de diferentes configuraciones de transmisores y 
receptores de la señal óptica con diferentes frecuencias y fueron simulados con herramientas de programación, 
obteniéndose una aceptable respuesta del sistema para permitir el análisis de muestras de toxinas urémicas 
(creatinina) con buena robustez y repetibilidad. 
 
Palabras claves: Hemodiálisis, toxinas urémicas, creatinina, métodos opto-electrónicos. 
 
 
ABSTRACT: 
When faults in the functioning of the kidneys of abrupt way happen or of slow way, people have Acute Renal 
Failure or Chronicle, then as an alternative ending are subjected to a process of hemodialysis where 
characterizationbecomes necessary of several morpho-physiologic components of the subject and between 
these it finds the measurement of creatinine like efficacious method to measure the levels of this disease. The 
classical method is based on taking a blood sample, to transfer her clinical laboratory of the institution, to 
centrifuge the sample to separate the blood serum, and to add you to this one chemical biological reagent that 
enables the detection of the concentration of creatinine for spectral analysis. This method is often expensive 
due to the dependence of the employed reagent, it is often complex for the various instruments used in the 
laboratory, and delayed for the clinical handling of the sample. 
 
This research proposes a new system for characterization of the direct measurement (On line) of absorbance of 
the liquid of dialysate and her relation with the level of toxins of the subject. The system is made of a 
transmitting block (signal generator, voltage-current converter and broadcasting LED with 480 nm < ʎ < 510 
nm), a receiving block (photodiode and signal conditioning channel) and a control block based in a 
microcontroller. An analysis of different configurations of transmitter and receivers of system with different 
frequencies came true and they were simulated with programming tools. We obtained an acceptable answer of 
the system to enable the analysis of samples of uremic toxins (creatinine) with good robustness and 
repeatability. 
 
Keywords: Hemodialysis, uremic toxins, creatinine, opto-electronic method. 
 
 
2 
 
 
 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
La caracterización de toxinas en sangre en pacientes con insuficiencias renales agudas y/o crónicas es de suma 
importancia para mantener bajo control ciertos parámetros del paciente y que este pueda disponer de un mejor 
nivel de vida a pesar de su estado crítico. 
 
La eliminación clásica de toxinas, especialmente para urea y creatinina durante el proceso de hemodiálisis se 
basa fundamentalmente en la difusión a través de la membrana semipermeable dentro del dializador [1-2], 
donde la definición de la concentración de estas toxinas deben garantizar la adecuación de la dosis de dializado 
en cada sesión terapéutica. 
 
Los sistemas modernos suelen emplear medición “On line” para el caso de urea (Fig. 1) [3-6]; pero para la 
determinación de creatinina, es necesario disponer de una muestra de sangre, la cual es centrifugada para la 
obtención del plasma a la que se le adiciona un reactivo [7-8]. Esta muestra obtenida, es excitada ópticamente 
con ayuda de un espectrofotómetro, el cual determina por absorbancia, la concentración de la toxina de interés. 
 
 
 
Figura 1: Representación simplificada de la medición “On line” en un sistema de Hemodiálisis. 
 
Hoy día existen dos técnicas básicas ampliamente utilizadas para la determinación de la creatinina en la 
muestra bajo estudio: método Jaffé cinético y método de punto final [9]. En ambos casos se debe preparar tres 
ensayos básicos: blanco, muestra y referencia, y además se debe disponer de una preparación previa de un 
reactivo de trabajo que es empleado en todos los ensayos. En la primera técnica se suele además realizar más 
de una lectura para determinar la absorbancia diferencial de la muestra y de la referencia en un estrecho 
intervalo de tiempo prestablecido (1 minuto) entre lecturas, lo cual adiciona una mayor complejidad durante la 
medición. En la técnica de punto final sólo se determinan dos valores de lecturas después de mezclar y dejar 
reposar durante 15 minutos las mezclas de los ensayos, determinando el valor de concentración de creatinina 
según: 
 
 
 
donde: Cm y Am representan la concentración y la absorbancia respectivamente de la muestra bajo estudio, y 
Ar y Cr representan la absorbancia y la concentración respectivamente de la referencia. 
 
 
 
3 
 
Esta última técnica a pesar de ser más simple, consume más tiempo y necesita de un filtrado de los preparados 
con papel de filtro para minimizar las proteínas en las muestras a medir, de forma que se disminuyan los 
errores. 
 
A pesar de los avances técnicos logrados hasta la actualidad [10] y en especial con el empleo de nuevos 
biosensores específicos de limitado uso y durabilidad [11-12], aún la caracterización de creatinina sigue 
estando limitada al análisis en el laboratorio clínico con las limitaciones propias del método empleado, de ahí 
el interés internacional de encontrar nuevas alternativas para su medición sistemática durante el proceso de 
hemodiálisis. 
 
 
2. MATERIALES Y MÉTODO 
 
Para caracterizar la respuesta óptica de muestras con creatinina se empleó el siguiente sistema (Fig. 2): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Bloques del sistema de medición para caracterización óptica de la medición de 
toxinas en hemodiálisis. 
 
La figura 3 muestra el montaje experimental desarrollado, observándose la fuente de generación y el circuito 
de recepción del sistema; así como varios instrumentos para la caracterización de la fuente emisora (Medidor 
óptico, Juego de filtros o lentes para verificación de absorbancias conocidas, etc.) 
 
 
 
Figura 3: Sistema óptico para caracterización experimental en el estudio de las muestras. 
 
Para la caracterización del sistema opto-electrónico de excitación propuesto se analizaron dos juegos de tres 
LEDs con diferentes longitudes de ondas: 
 AZUL: 460 nm < ʎ < 482 nm. 
 VERDE: 529 nm < ʎ < 497 nm. 
 
Sistema de 
excitación 
óptica 
(LED) 
porta-muestra 
Detector 
óptico 
diferencial 
Instrumentos 
de medición 
 
 
4 
 
Esta selección permite garantizar una amplia gama de posibles detecciones de las diferentes toxinas urémicas 
desechadas a través del dializador. A cada LED seleccionado se le midió la potencia emitida y durante los 
experimentos, se controló su corriente de polarización (10 mA, 8 mA y 5 mA). 
 
Para el circuito receptor, se utilizaron dos detectores (fotodiodos BPW20RF), los cuales fueron dispuestos 
adecuadamente en un reservorio con el porta-muestra (Fig. 4), de forma que sólo uno es excitado directamente 
por el emisor a una determinada longitud de onda, y el otro es empleado para establecer una referencia en 
cualquier ambiente de trabajo. 
 
 
 
Figura 4: Disposición del sistema de medición óptica. 
 
Para controlar adecuadamente la excitación de la fuente emisora, se emplea un generador de señales 
(equivalente a un oscilador CA) y un circuito convertidor Tensión-Corriente (T/I) tipo Howland, el cual 
permite en la fase investigativa controlar la corriente constante de excitación para cualquier forma de onda 
aplicada en busca de la respuesta experimental del sistema propuesto. 
 
Protocolo de preparación de muestras 
Inicialmente se obtuvo el reactivo de trabajo mediante la combinación de: 
 
Ácido pícrico + hidróxido de sodio 
(1.875 ml) (1.875 ml) 
 
Posteriormente se prepararon tres muestras A, B y C (Fig. 5), similares a las condiciones reales de empleo del 
método del punto final, con las siguientes características: 
 En la cubeta A se observa la reacción entre 1.25 ml de reactivo de trabajo con 2.5 ml de H2O. 
 En la cubeta B se observa la reacción entre 1.25 ml de reactivo de trabajo con 2.5 ml de la muestra de 
referencia (creatinina). 
 En la cubeta C se observa la reacción entre 1.25 ml de reactivo de trabajo con 2.5 ml de la muestra de 
referencia (creatinina) y 1.5 ml de H2O. 
 
A partir de esta preparación con un tiempo de reposo de 15 minutos como establece el método, se comenzó las 
mediciones experimentales de las muestras preparadas, con un intervalo de tiempo de 30 segundos entre las 
lecturas de las mismas. 
 
 
 
5 
 
 
 
Figura 5: Muestras preparadas con diferentes coloraciones atendiendo a las concentraciones de los solutos 
mezclados. 
 
 
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
Caracterización experimental de la respuesta de los emisores ópticos (LEDs) 
 
La figura 6 muestra el montaje experimental desarrollado para la caracterización de los emisores ópticos.Entre 
el LED emisor y el fotoreceptor, se colocó un juego de filtros ópticos patrones con absorbancias conocidas, 
obteniéndose las respuestas del sistema (Fig. 7) para las dos longitudes de onda de interés (verde y azul) a 
emplear en la caracterización de creatinina en muestras biológicas. 
 
 
 
Figura 6: Sistema para la caracterización de la fuente emisora (LED) con filtros ópticos y 
acondicionamiento de señales. 
 
 
 
 
 
 
6 
 
 
 
 
 
Figura 7: Respuesta promedio del canal de medición ante el arreglo de filtros de referencias con 
absorbancias conocidas para las longitudes de ondas de los LEDs seleccionados. 
 
Para el análisis experimental en el laboratorio, se preparó una solución inicial de trabajo, en la cual se 
mezclaron: 
 Solución de referencia (Cr=177 µmol/l de creatinina): 0.8 ml. 
 Solución de reactivo (ácido pícrico e hidroxilo de Sodio en similares proporciones): 0.4 ml. 
Posteriormente, se realizaron 8 diluciones sucesivas (Fig. 8) adicionándose 0.2 ml de H2O (0smosis) a partir de 
la solución inicial. Estas muestras se dejaron reaccionar de forma natural durante 15 minutos y después fueron 
medidas con ayuda del sistema óptico propuesto. 
 
 
 
Figura 8: Preparación de muestras con diferentes diluciones a partir de una solución inicial: 177 µmol/l. 
 
 
7 
 
 
La figura 9 muestra el promedio de una serie de 4 mediciones realizadas a cada muestra, lográndose una 
respuesta uniforme en el intervalo de medición. 
 
 
 
Figura 9: Respuesta óptica experimental. 
 
La figura 10 muestra el comportamiento del sistema ante diferentes concentraciones de entrada con creatinina 
(Ce), observándose un comportamiento bastante lineal y adecuada sensibilidad en el intervalo real de 
concentraciones de trabajo (Cr) durante el desarrollo del proceso de hemodiálisis. 
 
 
 
Figura 10: Respuesta del sistema ante diferentes concentraciones de entrada. 
 
 
 
8 
 
 
 
Estos resultados preliminares obtenidos demuestran que es posible emplear este método en la caracterización 
de toxinas urémicas, especialmente en la determinación de la concentración de creatinina en muestras de 
dializado, lo cual facilita el desarrollo del seguimiento del estado del paciente durante el tratamiento de 
rehabilitación (hemodiálisis). 
 
Para el desarrollo futuro es necesario minimizar las fuentes interferentes de luz en el sistema de registro óptico, 
lo cual lleva a encontrar una alternativa de solución en la sección del líquido de dializado, de forma que las 
muestras a medir puedan ser registradas con la mínima interferencia posible. Además debe garantizarse una 
alta estabilidad de la fuente de alimentación de la sección óptica. 
 
 
4. CONCLUSIONES 
 
A partir de los resultados obtenidos se puede concluir que es posible medir la absorbancia del sistema con 
buena robustez y repetitividad, permitiéndose la determinación de toxinas urémicas, tales como creatinina u 
otras. 
 
El sistema propuesto permite con buena linealidad, la determinación de la concentración de creatinina en 
muestras biológicas, lo cual facilita el tratamiento de hemodiálisis en los pacientes con deficiencias renales 
crónicas y/o agudas. 
 
 
RECONOCIMIENTOS 
 
Los autores desean agradecer el aseguramiento brindado por el equipo de investigación del Proyecto 
MORPHYs que se ejecuta hoy día en el Dpto. de Bioingeniería (CEBIO) de la Universidad Técnica de la 
Habana “José Antonio Echeverría”) y la colaboración brindada por el Centro Provincial de Electromedicina 
(CPE) para la realización de la investigación. 
 
 
REFERENCIAS 
 
[1] DAUGIRDAS, J., VAN-STONE, J. “Bases fisiológicas y modelo cinético de la urea”. En: Daugirdas J. y 
otros (Eds): Manual de Diálisis. Masson S.A. (Barcelona). pp. 15-48, 2003. 
[2] NCC-CC (National Collaborating Centre for Chronic Conditions). Chronic kidney disease: national 
clinical guideline for early identification and management in adults in primary and secondary care”. London: 
Royal College of Physicians; 2008. 
[3] DUMLER, F. “Best method for estimating urea volume of distribution: comparison of single pool variable 
volume kinetic modeling measurements with bioimpedance and anthropometric methods”. ASAIO J 50: 237-
241, 2004. 
[4] GARCÍA-VALDECASAS, J. y otros. “Medición on-line a tiempo real de la cuantificación de la diálisis: 
valor del biosensor Diascan”. Nefrología XVII (Supl. 2): 52, 1997. 
[5] MADUELL F. y otros. “Seguimiento de la dosis de hemodiálisis en tiempo real: el futuro inmediato”. 
Nefrología XVII (Supl. 2): 51, 1997. 
[6] KRAEMER, M., RODE, C. and WIZEMANN, V. “Detection limit of methods to assess fluid status changes 
in dialysis patients”. Kidney Int 69: 1609-1620, 2006. 
[7] PERALTA, C., et al. “Detection of chronic kidney disease with creatinine, cystatin C, and urine albumin-
to-creatinine ratio and association with progression to end-stage renal disease and mortality”. JAMA; 305 
(15):1545-52. 2011. 
[8] LEVEY, A., STEVENS, L. and CORESH, J. “Conceptual model of CKD: applications and implications”. 
Am J Kidney Dis; 53 (3 Suppl 3): S4-16. 2009. 
[9] HELFA® Diagnósticos. “Determinación de Creatinina en suero por método de Jaffé cinético y punto final”. 
2da Ed.; Ed. E.P.B. “Carlos J. Finlay”, págs. 1-4, 2015. 
 
 
9 
 
[10] PICOLLI A., NESCOLARDE, L., ROSELL, J. “Análisis convencional y vectorial de bioimpedancia en la 
práctica clínica”. Nefrología XXII: 228-238, 2002. 
[11] ALMIRALL, J. y otros. “Desarrollo y validación de un biosensor biparamétrico de urea y creatinina 
para la monitorización de la sesión de hemodiálisis”. NEFROLOGIA. Vol. XIX. Número 4. 1999. 
[12] WARIAR, R. et al. “Sensor óptico y método para medir la concentración de un componente químico 
mediante su absorbancia óptica intrínseca”. Patente: 10/167796. USA. 2006. [Disponible en: 
www.patent.com]. 
 
 
 
AUTORES 
 
Abel Calle Herranz. Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica (1996) y Máster en Bioingeniería (2009) 
graduado del ISPJAE y trabajador con más de 15 años de experiencia en el Centro Provincial de 
Electromedicina, La Habana, Cuba. Actualmente es profesor adjunto del Dpto. de Bioingeniería con 
experiencia docente-metodológica en la impartición de asignaturas relacionadas con la Disciplina de 
Instrumentación Biomédica. Ha participado en tutorías, oponencias y tribunales de Trabajos de Diploma y de 
Maestría, y su interés actual de investigación está relacionado con el desarrollo de nuevos métodos de 
medición de variables clínicas vinculadas con tecnologías biomédicas para el diagnóstico y la terapia, y en 
especial en la caracterización de toxinas urémicas durante el proceso de Hemodiálisis. 
Correo: abel.calle@infomed.sld.cu 
 
Gretchen Camacho Cedeño. Ingeniera Biomédica graduada en el ISPJAE (2015) y profesora en el Centro de 
Estudio de Matemáticas (CEMAT) del ISPJAE, en La Habana, Cuba. Su interés actual de investigación está 
relacionado con el desarrollo de nuevos métodos de medición de variables clínicas vinculadas con tecnologías 
biomédicas para el diagnóstico y la terapia; así como la aplicación de modelos matemáticos aplicados a la 
simulación de sistemas biológicos. 
Correo: gcamacho@cemat.cujae.edu.cu 
 
Maria Elena Martínez Hernández: Estudiante de Ingeniería Biomédica (5to Año) en el ISPJAE. Miembro 
del Proyecto MORPHYs del Dpto. Bioingeniería (CEBIO) en el ISPJAE. Su interés actual de investigación 
está relacionado con el desarrollo de nuevos métodos de medición de variables clínicas vinculadas con 
tecnologías biomédicas para el diagnóstico en pacientes hemodializados, y en especial en la caracterización de 
toxinas urémicas. 
Correo: mmartinezh1@fecrd.cujae.edu.cu 
 
Angel Regueiro-Gómez. Graduado de Ingeniero Electrónico en 1984 por el ISPJAE, Cuba, y de Doctor 
Ingeniero Electrónico en 1996 en la Universidad Politécnica de Barcelona (UPC), España. Actualmente es 
Profesor Titular del Dpto. de Bioingeniería (CEBIO) en la Facultad de Ingeniería Eléctrica, ISPJAE, y ofrece 
varios cursos relacionados con Instrumentación,Electrónica e Ingeniería Biomédica. Ha trabajado en 
investigaciones relacionadas con Instrumentación y Bioingeniería desarrollando numerosas publicaciones en 
revistas y congresos; su interés actual de investigación está vinculado con el diseño de sistemas para la 
adquisición y el acondicionamiento de variables fisiológicas por métodos no invasivos; así como la 
caracterización de muestras biológicas con fines clínicos. 
Correo: regueiro@electrica.cujae.edu.cu 
 
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