[ES] Conocer las propiedades electromagnéticas de los tejidos biológicos con la mayor exactitud posible tiene una gran importancia en el diseño de un elevado número de aplicaciones biomédicas. El diseño de dispositivos médicos inalámbricos, antenas superficiales e intracorporales, evaluación de tasas de absorción electromagnética, técnicas de tratamiento y detección de cáncer como la hipertermia e imágenes médicas son ejemplos de aplicaciones que requieren esta información para su desarrollo. Debido a que el cáncer provoca modificaciones estructurales en las células que a su vez generan cambios en las propiedades electromagnéticas, es posible desarrollar aplicaciones de detección de cáncer que se basen en este hecho. Un objetivo potencial es el cáncer de colon (CRC), debido a que los tejidos de colon sospechosos son accesibles de forma más o menos sencilla durante procedimientos endoscópicos. Este tipo de cáncer es uno de los más extendidos, siendo responsable de aproximadamente el 10% de casos y muertes totales. Existe un gran número de factores de riesgo que pueden explicar la aparición de la enfermedad, aunque esencialmente la probabilidad se incrementa significativamente con el aumento de la edad de la población. Los programas de cribado sobre la población son críticos: si el cáncer se detecta en etapas tempranas, la probabilidad de sobrevivir se incrementa en gran medida, y además se reducen los costes asociados. Uno de los objetivos principales de esta tesis es proponer aplicaciones que ayuden en la detección de CRC durante la colonoscopia haciendo uso de las diferencias en las propiedades electromagnéticas. Aparte de mejoras en el diagnóstico, complementar la colonoscopia puede conllevar otros beneficios colaterales como una reducción en la carga de anatomía patológica. Para demostrar la viabilidad y el potencial desarrollo futuro de estas aplicaciones, en esta tesis se miden y se trata de encontrar diferencias entre las propiedades electromagnéticas de tejidos sanos, cancerosos y patológicos de colon humano. Las medidas han sido llevadas a cabo mediante la técnica del coaxial terminado en abierto. Con el propósito de incrementar la precisión del método, se ha evaluado el principio de funcionamiento y se ha mejorado el proceso de calibración. Dos fuentes de tejido de colon han sido analizadas en esta tesis: tejidos procedentes de colonoscopias (biopsias) y tejidos obtenidos a partir de procedimientos quirúrgicos. Aparte de tejido sano, se estudian las siguientes patologías: Adenocarcinomas (CRC), adenomas sin displasia, adenomas con bajo grado de displasia, adenomas con alto grado de displasia, hiperplasias y hamartomas. Debido a la alta variabilidad entre distintos sujetos, las propiedades electromagnéticas de los tejidos sospechosos de un paciente en concreto deben ser siempre comparadas con las propiedades de sus tejidos sanos, no evaluadas de forma independiente. El segundo gran objetivo de esta tesis es el desarrollo de una nueva base de datos de las propiedades electromagnéticas de tejidos biológicos medidas in vivo. Ahora mismo, las colecciones disponibles están limitadas en número de tejidos o frecuencias caracterizadas, obligando a los investigadores a escoger bases de datos más completas pero realizadas ex vivo. No obstante, usar este tipo de colecciones tienen fuentes de incertidumbre adicionales dado que las medidas están condicionadas por la deshidratación de los tejidos y la perdida de flujo sanguíneo. El desarrollo de esta nueva base de datos puede facilitar el diseño de aplicaciones que requieran conocer las propiedades electromagnéticas con alto grado de precisión. / [CA] Conéixer les propietats electromagnètiques dels teixits biològics amb la major exactitud possible té una gran importància en el disseny d'un gran nombre d'aplicacions biomèdiques. El disseny de dispositius metges sense fil, antenes superficials i intracorporales, l'avaluació de taxes d'absorció electromagnètica, tècniques de tractament i detecció de càncer com ara la hipertèrmia i imatges mediques són exemples d'aplicacions que requerixen esta informació. Com el càncer provoca modificacions estructurals en les cèl·lules que generen canvis en les propietats electromagnètiques, es possible desenrotllar aplicacions de detecció de càncer que es basen en este fet. Un objectiu potencial és el càncer de colon (CRC), pel fet que els teixits de colon sospitosos són accessibles de forma més o menys senzilla durant procediments endoscòpics. Este tipus de càncer és un dels més estesos, sent responsable d'aproximadament el 10% de casos i morts totals. N'hi ha un gran nombre de factors de risc que poden explicar l'aparició de la malaltia, encara que en resum la probabilitat s'incrementa significativament amb l'augment de l'edat de la població. Els programes de cribratge sobre la població són crítics. Si el càncer es detecta en etapes primerenques, la probabilitat de sobreviure s'incrementa en gran manera, i a més es reduïxen els costos associats. Un dels objectius principals d'esta tesi és proposar aplicacions que ajuden en la detecció de CRC durant la colonoscòpia fent ús de les diferències en les propietats electromagnètiques. A banda de millores en el diagnòstic, complementar la colonoscòpia pot comportar altres beneficis col·laterals com una reducció en la càrrega d'anatomia patològica. Per a demostrar la fiabilitat i el potencial desenrotllament d'aquestes aplicacions, en aquesta tesi es mesuren i es tracta de trobar diferències entre les propietats electromagnètiques de teixits sans, cancerosos i patològics de colon humà. Les mesures han sigut realitzades mitjançant la tècnica del coaxial acabat en obert. Amb el propòsit d'incrementar la precisió del mètode, s'ha avaluat el seu principi de funcionament i s'ha millorat el procés de calibratge. Dos fonts de teixit de colon s'han analitzat en aquesta tesi: teixits procedents de colonoscòpies (biòpsies) i teixits obtinguts a partir de procediments quirúrgics. Apart de teixit sà, s'estudien els següents teixits: Adenocarcinomes (CRC), adenomes sense displàsia, adenomes amb baix grau de displàsia, adenomes amb alt grau de displàsia, hiperplàsies y hamartomes. Degut a l'alta variabilitat entre diferents subjectes, les propietats electromagnètiques dels teixits sospitosos d'un pacient en particular han de ser comparades amb les propietats dels seus teixits sans, no avaluats independentment. El segon gran objectiu d'esta tesi és el desenrotllament d'una nova base de dades de les propietats electromagnètiques de teixits biològics mesurades in vivo. Ara mateix, les col·leccions disponibles estan limitades en nombre de teixits o freqüències caracteritzades, obligant els investigadors a triar bases de dades més completes però realitzades ex vivo. No obstant això, este tipus de col·leccions te fonts d'incertesa addicionals atés que les mesures estan condicionades per la deshidratació dels teixits i la pèrdua de flux sanguini. El desenrotllament d'esta nova base de dades pot facilitar el disseny d'aplicacions que requerisquen conéixer les propietats electromagnètiques amb alt grau de precisió. / [EN] Nowadays, a careful knowledge of the electromagnetic properties of biological tissues is required for developing a great number of applications. The development of wireless medical devices, the design of in-body and on-body antennas, specific absorption rate evaluations, cancer treatment techniques such as hyperthermia and detection techniques like medical imaging are some examples of applications that rely on these data. Since cancer causes modifications on the biological structure of cells that can lead in turn to changes in the electromagnetic properties of the tissues, it is possible to develop novel detection applications taking advantage of it. One potential target is colorectal cancer (CRC), as suspicious tissues can be accessed quite easily through colonoscopy procedures. This kind of cancer is one of the most spread kinds, being responsible of about 1 out of 10 new cancer cases and deaths. There are several risk factors currently related to the apprising of this cancer, although in essence the higher the age of the population, the higher the incidence of CRC. Screening programs are key for detecting and diagnosing cancer: if found at early stages, the probability of survival increases greatly, and the cost of the treatment can be reduced as well. One of the major objectives of this dissertation is proposing applications for detecting CRC that aid in the colonoscopy procedures by making use of the differences in electromagnetic properties. Aside from enhancement in the diagnosis of CRC, improving the colonoscopy procedure can lead to collateral benefits like a lowering of the burden of anatomical pathology unit. With the aim at demonstrating the feasibility and the potential future development of these applications, in the framework of this thesis the dielectric properties of healthy, cancerous and pathological human colon tissues are measured and compared in order to find electromagnetic differences. Measurements are carried out by means of an open-ended coaxial system. Its principle of operation has been revisited with the aim at maximizing the accuracy of the method, and the calibration procedure has been optimized serving the same purpose. Two main sources of colon tissue have been analyzed: samples from colonoscopy biopsies and samples from surgery resections. Besides healthy tissue, the following colon tissues have been characterized: Adenocarcinomas (CRC), adenomas without dysplasia, adenomas with low-grade dysplasia, adenomas with high-grade dysplasia, hyperplastic polyps and hamartomatous polyps. Given the variability that can appear among subjects, the electromagnetic properties of suspicious tissues from a particular patient have to be always compared with those of his healthy ones, not evaluated independently. The second major objective of this thesis involves the development of a new database of electromagnetic properties of biological tissues obtained at in vivo conditions. Nowadays, the available collections are limited either in the number of tissues or the measured frequencies, and hence researchers have to make use of more complete databases but that were performed ex vivo. The drawback of using these collections is that results can be compromised by factors such as lack of blood perfusion and tissue dehydration. Developing this new database can facilitate the design of applications that needs of a careful knowledge of these properties. / Fornés Leal, A. (2019). Dielectric Characterization of Biological Tissues for Medical Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132188

[ES] La electrofisiología extracelular es una técnica ampliamente usada en investigación neurocientífica, la cual estudia el funcionamiento del cerebro mediante la medición de campos eléctricos generados por la actividad neuronal. Esto se realiza a través de electrodos implantados en el cerebro y conectados a dispositivos electrónicos para amplificación y digitalización de las señales. De los muchos modelos animales usados en experimentación, las ratas y los ratones se encuentran entre las especies más comúnmente utilizadas. Actualmente, la experimentación electrofisiológica busca condiciones cada vez más complejas, limitadas por la tecnología de los dispositivos de adquisición. Dos aspectos son de particular interés: Realimentación de lazo cerrado y comportamiento en condiciones naturales. En esta tesis se presentan desarrollos con el objetivo de mejorar diferentes facetas de estos dos problemas. La realimentación en lazo cerrado se refiere a todas las técnicas en las que los estímulos son producidos en respuesta a un evento generado por el animal. La latencia debe ajustarse a las escalas temporales bajo estudio. Los sistemas modernos de adquisición presentan latencias en el orden de los 10ms. Sin embargo, para responder a eventos rápidos, como pueden ser los potenciales de acción, se requieren latencias por debajo de 1ms. Además, los algoritmos para detectar los eventos o generar los estímulos pueden ser complejos, integrando varias entradas de datos en tiempo real. Integrar el desarrollo de dichos algoritmos en las herramientas de adquisición forma parte del diseño experimental. Para estudiar comportamientos naturales, los animales deben ser capaces de moverse libremente en entornos emulando condiciones naturales. Experimentos de este tipo se ven dificultados por la naturaleza cableada de los sistemas de adquisición. Otras restricciones físicas, como el peso de los implantes o limitaciones en el consumo de energía, pueden también afectar a la duración de los experimentos, limitándola. La experimentación puede verse enriquecida cuando los datos electrofisiológicos se ven complementados con múltiples fuentes distintas. Por ejemplo, seguimiento de los animales o miscroscopía. Herramientas capaces de integrar datos independientemente de su origen abren la puerta a nuevas posibilidades. Los avances tecnológicos presentados abordan estas limitaciones. Se han diseñado dispositivos con latencias de lazo cerrado inferiores a 200us que permiten combinar cientos de canales electrofisiológicos con otras fuentes de datos, como vídeo o seguimiento. El software de control para estos dispositivos se ha diseñado manteniendo la flexibilidad como objetivo. Se han desarrollado interfaces y estándares de naturaleza abierta para incentivar el desarrollo de herramientas compatibles entre ellas. Para resolver los problemas de cableado se siguieron dos métodos distintos. Uno fue el desarrollo de headstages ligeros combinados con cables coaxiales ultra finos y conmutadores activos, gracias al seguimiento de animales. Este desarrollo permite reducir el esfuerzo impuesto a los animales, permitiendo espacios amplios y experimentos de larga duración, al tiempo que permite el uso de headstages con características avanzadas. Paralelamente se desarrolló un tipo diferente de headstage, con tecnología inalámbrica. Se creó un algoritmo de compresión digital especializado capaz de reducir el ancho de banda a menos del 65% de su tamaño original, ahorrando energía. Esta reducción permite baterías más ligeras y mayores tiempos de operación. El algoritmo fue diseñado para ser capaz de ser implementado en una gran variedad de dispositivos. Los desarrollos presentados abren la puerta a nuevas posibilidades experimentales para la neurociencia, combinando adquisición elextrofisiológica con estudios conductuales en condiciones naturales y estímulos complejos en tiempo real. / [CA] L'electrofisiologia extracel·lular és una tècnica àmpliament utilitzada en la investigació neurocientífica, la qual permet estudiar el funcionament del cervell mitjançant el mesurament de camps elèctrics generats per l'activitat neuronal. Això es realitza a través d'elèctrodes implantats al cervell, connectats a dispositius electrònics per a l'amplificació i digitalització dels senyals. Dels molts models animals utilitzats en experimentació electrofisiològica, les rates i els ratolins es troben entre les espècies més utilitzades. Actualment, l'experimentació electrofisiològica busca condicions cada vegada més complexes, limitades per la tecnologia dels dispositius d'adquisició. Dos aspectes són d'especial interès: La realimentació de sistemes de llaç tancat i el comportament en condicions naturals. En aquesta tesi es presenten desenvolupaments amb l'objectiu de millorar diferents aspectes d'aquestos dos problemes. La realimentació de sistemes de llaç tancat es refereix a totes aquestes tècniques on els estímuls es produeixen en resposta a un esdeveniment generat per l'animal. La latència ha d'ajustar-se a les escales temporals sota estudi. Els sistemes moderns d'adquisició presenten latències en l'ordre dels 10ms. No obstant això, per a respondre a esdeveniments ràpids, com poden ser els potencials d'acció, es requereixen latències per davall de 1ms. A més a més, els algoritmes per a detectar els esdeveniments o generar els estímuls poden ser complexos, integrant varies entrades de dades a temps real. Integrar el desenvolupament d'aquests algoritmes en les eines d'adquisició forma part del disseny dels experiments. Per a estudiar comportaments naturals, els animals han de ser capaços de moure's lliurement en ambients emulant condicions naturals. Aquestos experiments es veuen limitats per la natura cablejada dels sistemes d'adquisició. Altres restriccions físiques, com el pes dels implants o el consum d'energia, poden també limitar la duració dels experiments. L'experimentació es pot enriquir quan les dades electrofisiològiques es complementen amb dades de múltiples fonts. Per exemple, el seguiment d'animals o microscòpia. Eines capaces d'integrar dades independentment del seu origen obrin la porta a noves possibilitats. Els avanços tecnològics presentats tracten aquestes limitacions. S'han dissenyat dispositius amb latències de llaç tancat inferiors a 200us que permeten combinar centenars de canals electrofisiològics amb altres fonts de dades, com vídeo o seguiment. El software de control per a aquests dispositius s'ha dissenyat mantenint la flexibilitat com a objectiu. S'han desenvolupat interfícies i estàndards de naturalesa oberta per a incentivar el desenvolupament d'eines compatibles entre elles. Per a resoldre els problemes de cablejat es van seguir dos mètodes diferents. Un va ser el desenvolupament de headstages lleugers combinats amb cables coaxials ultra fins i commutadors actius, gràcies al seguiment d'animals. Aquest desenvolupament permet reduir al mínim l'esforç imposat als animals, permetent espais amplis i experiments de llarga durada, al mateix temps que permet l'ús de headstages amb característiques avançades. Paral·lelament es va desenvolupar un tipus diferent de headstage, amb tecnologia sense fil. Es va crear un algorisme de compressió digital especialitzat capaç de reduir l'amplada de banda a menys del 65% de la seua grandària original, estalviant energia. Aquesta reducció permet bateries més lleugeres i majors temps d'operació. L'algorisme va ser dissenyat per a ser capaç de ser implementat a una gran varietat de dispositius. Els desenvolupaments presentats obrin la porta a noves possibilitats experimentals per a la neurociència, combinant l'adquisició electrofisiològica amb estudis conductuals en condicions naturals i estímuls complexos en temps real. / [EN] Extracellular electrophysiology is a technique widely used in neuroscience research. It can offer insights on how the brain works by measuring the electrical fields generated by neural activity. This is done through electrodes implanted in the brain and connected to amplification and digitization electronic circuitry. Of the many animal models used in electrophysiology experimentation, rodents such as rats and mice are among the most popular species. Modern electrophysiology experiments seek increasingly complex conditions that are limited by acquisition hardware technology. Two particular aspects are of special interest: Closed-loop feedback and naturalistic behavior. In this thesis, we present developments aiming to improve on different facets of these two problems. Closed-loop feedback encompasses all techniques in which stimuli is produced in response of an event generated by the animal. Latency, the time between trigger event and stimuli generation, must adjust to the biological timescale being studied. While modern acquisition systems feature latencies in the order of 10ms, response to fast events such as high-frequency electrical transients created by neuronal activity require latencies under $1ms$. In addition, algorithms for triggering or generating closed-loop stimuli can be complex, integrating multiple inputs in real-time. Integration of algorithm development into acquisition tools becomes an important part of experiment design. For electrophysiology experiments featuring naturalistic behavior, animals must be able to move freely in ecologically meaningful environments, mimicking natural conditions. Experiments featuring elements such as large arenaa, environmental objects or the presence of another animals are, however, hindered by the wired nature of acquisition systems. Other physical constraints, such as implant weight or power restrictions can also affect experiment time, limiting their duration. Beyond the technical limits, complex experiments are enriched when electrophysiology data is integrated with multiple sources, for example animal tracking or brain microscopy. Tools allowing mixing data independently of the source open new experimental possibilities. The technological advances presented on this thesis addresses these topics. We have designed devices with closed-loop latencies under 200us while featuring high-bandwidth interfaces. These allow the simultaneous acquisition of hundreds of electrophysiological channels combined with other heterogeneous data sources, such as video or tracking. The control software for these devices was designed with flexibility in mind, allowing easy implementation of closed-loop algorithms. Open interface standards were created to encourage the development of interoperable tools for experimental data integration. To solve wiring issues in behavioral experiments, we followed two different approaches. One was the design of light headstages, coupled with ultra-thin coaxial cables and active commutator technology, making use of animal tracking. This allowed to reduce animal strain to a minimum allowing large arenas and prolonged experiments with advanced headstages. A different, wireless headstage was also developed. We created a digital compression algorithm specialized for neural electrophysiological signals able to reduce data bandwidth to less than 65.5% its original size without introducing distortions. Bandwidth has a large effect on power requirements. Thus, this reduction allows for lighter batteries and extended operational time. The algorithm is designed to be able to be implemented in a wide variety of devices, requiring low hardware resources and adding negligible power requirements to a system. Combined, the developments we present open new possibilities for neuroscience experiments combining electrophysiology acquisition with natural behaviors and complex, real-time, stimuli. / The research described in this thesis was carried out at the Polytechnic University of Valencia (Universitat Politècnica de València), Valencia, Spain in an extremely close collaboration with the Neuroscience Institute - Spanish National Research Council - Miguel Hernández University (Instituto de Neurociencias - Consejo Superior de Investigaciones Cientí cas - Universidad Miguel Hernández), San Juan de Alicante, Spain. The projects described in chapters 3 and 4 were developed in collabo- ration with, and funded by, Open Ephys, Cambridge, MA, USA and OEPS - Eléctronica e produção, unipessoal lda, Algés, Portugal. / Cuevas López, A. (2021). Development of Advanced Closed-Loop Brain Electrophysiology Systems for Freely Behaving Rodents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179718