Disseny i caracterització de biosensors pel monitoratge de marcadors en l'entorn esportiu i sanitari

Abstract

Currently, the sports community is in search of portable devices with the ability to monitor their training and recovery process accurately and continuously, with the primary goal of maximizing their physical performance in an optimal manner. However, there is an unmet medical need to obtain biomarkers of interest and adapt them into training protocols. This work covers the development and validation of biosensors integrated in a device (OnaSport) currently under development by the company Onalabs Inno-Hub. These biosensors are able to detect physiological parameters of athletes, in particular the dehydration factor and electrolyte loss. This detection is performed non-invasively and continuously by means of sweat. ¿In vitro¿ tests were carried out in a laboratory environment with controlled conditions to characterize the conductivity and sweating sensors developed throughout the project, thus obtaining correlations between electrical conductivity and sodium concentration in sweat that allow predicting the total loss of this ion during physical exercise. Thanks to this characterization, it was possible to generate an automation process to obtain more precise metrics from the sensors and with much more reproducible procedures. The "in vivo" analysis showed similarities with the "in vitro" results and pointed out the importance of adjusting the response time of the sensors (from the start of the activity to the contact of sweat with the electrodes). In addition, the device measurements were compared with reference methods and sensors, demonstrating an acceptable approximation in the dehydration values (relative error of less than 25%) and high reliability in the measurement of electrolyte loss (relative error of 5%). During data analysis, notable differences in sweat conductivity values were observed depending on the user's body zone, and it was shown that this variability between samples represents significant evidence that needs to be considered in order to convert local values obtained by the sensor into values at the global level of the individual. For future research, the analysis performed in the present study suggests the need to further explore the impact of external factors, as well as inter- and intra-subject variability. Although limitations and areas for improvement were identified, the results obtained support the usefulness of the device in the monitoring of physiological parameters during physical activity.

Actualment, la comunitat esportiva està en cerca de dispositius portàtils amb capacitat de monitorar de manera precisa i contínua el seu entrenament i procés de recuperació, amb l'objectiu primordial de maximitzar el seu rendiment físic de manera òptima. No obstant això, existeix una necessitat mèdica insatisfeta d'obtenir biomarcadors d'interès i adaptar-los en els protocols d'entrenament. Aquest treball abasta el desenvolupament i la validació de biosensors integrats en un dispositiu (OnaSport) que es troba actualment en desenvolupament per l'empresa Onalabs Inno-Hub. Aquests biosensors són capaços de detectar paràmetres fisiològics dels atletes, en concret, el factor deshidratació i la pèrdua d'electròlits. La detecció es realitza de manera no invasiva i contínua mitjançant la suor. Es van dur a terme proves "in vitro" en un entorn de laboratori amb condicions controlades per a caracteritzar els sensors de conductivitat i sudoració desenvolupats al llarg del projecte, obtenint així correlacions entre la conductivitat elèctrica i la concentració de sodi en la suor que permeten predir la pèrdua total d'aquest ió en realitzar exercici físic. Gràcies a aquesta caracterització, es va poder generar un procés d'automatització per a obtenir mètriques més precises dels sensors i amb procediments molt més reproduïbles. L'anàlisi "in vivo" va mostrar similituds amb els resultats "in vitro" i van assenyalar la importància d'ajustar el temps de resposta dels sensors (des de l'inici de l'activitat fins al contacte de la suor amb els elèctrodes). A més, es van comparar les mesures del dispositiu amb mètodes i sensors de referència, demostrant una aproximació acceptable en els valors de deshidratació (error relatiu inferior al 25%) i una fiabilitat elevada en el mesurament de pèrdua d'electròlits (error relatiu del 5%). Durant l'anàlisi de les dades es van observar diferències notables en els valors de conductivitat en suor segons la zona del cos de l'usuari, i es va demostrar que aquesta variabilitat entre mostres representa evidències significatives que cal tenir en compte per a convertir els valors locals obtinguts mitjançant el sensor en valors a nivell global de l'individu. De cara a futures recerques, l'anàlisi realitzada en el present estudi suggereix la necessitat d'aprofundir en l'afectació de factors externs, així com en la variabilitat inter-subjecte i intra-subjecte. Encara que es van identificar limitacions i àrees de millora, els resultats obtinguts donen suport a la utilitat del dispositiu en el monitoratge de paràmetres fisiològics durant l'activitat física.

Actualmente, la comunidad deportiva está en busca de dispositivos portátiles con capacidad de monitorizar de manera precisa y continua su entrenamiento y proceso de recuperación, con el objetivo primordial de maximizar su rendimiento físico de manera óptima. Sin embargo, existe una necesidad médica insatisfecha de obtener biomarcadores de interés y adaptarlos en los protocolos de entrenamiento. Este trabajo abarca el desarrollo y la validación de biosensores integrados en un dispositivo (OnaSport) que se encuentra actualmente en desarrollo por la empresa Onalabs Inno-Hub. Dichos biosensores son capaces de detectar parámetros fisiológicos de los atletas, en concreto, el factor deshidratación y la pérdida de electrólitos. Esta detección se realiza de manera no invasiva y continua mediante el sudor. Se llevaron a cabo pruebas "in vitro" en un entorno de laboratorio con condiciones controladas para caracterizar los sensores de conductividad y sudoración desarrollados a lo largo del proyecto, obteniendo así correlaciones entre la conductividad eléctrica y la concentración de sodio en el sudor que permiten predecir la pérdida total de este ion al realizar ejercicio físico. Gracias a esta caracterización, se pudo generar un proceso de automatización para obtener métricas más precisas de los sensores y con procedimientos mucho más reproducibles. El análisis "in vivo" mostró similitudes con los resultados "in vitro" y señalaron la importancia de ajustar el tiempo de respuesta de los sensores (desde el inicio de la actividad hasta el contacto del sudor con los electrodos). Además, se compararon las medidas del dispositivo con métodos y sensores de referencia, demostrando una aproximación aceptable en los valores de deshidratación (error relativo inferior al 25%) y una fiabilidad elevada en la medición de pérdida de electrólitos (error relativo del 5%). Durante el análisis de los datos se observaron diferencias notables en los valores de conductividad en sudor según la zona del cuerpo del usuario, y se demostró que esta variabilidad entre muestras representa evidencias significativas que hay que tener en cuenta para convertir los valores locales obtenidos mediante el sensor en valores a nivel global del individuo. De cara a futuras investigaciones, el análisis realizado en el presente estudio sugiere la necesidad de profundizar en la afectación de factores externos, así como en la variabilidad inter-sujeto e intra-sujeto. Aunque se identificaron limitaciones y áreas de mejora, los resultados obtenidos apoyan la utilidad del dispositivo en la monitorización de parámetros fisiológicos durante la actividad física.