С электрической точки зрения объект биоимпедансных исследований (далее — объект) представляет собой сложную систему из соединенных паралельно-последовательным способом цепей из сопротивлений и ёмкостей. Так как биоимпедансный анализ является неинвазивным методом анализа состава тела человека, измерительные электроды накладываются на кожу. Эквивалентная схема кожного региона представлена на рисунке 1 [1]. Подключение измерительных электродов производится к крайним точкам всей системы, следовательно, протекающий ток и возникающая разность потенциалов на электродах могут регистрироваться некорректно вследствие паразитных утечек тока на землю (общий провод) [3,4] при измерениях на верхних частотах измерительного диапазона (1–2 Мгц). Многие заболевания, например, псориаз, меняют биоимпедансную спектрограмму именно в высокочастотной области, по этой причине расширение рабочего диапазона является важной проблемой биоипедансометрии [2]. На точность измерения оказывает влияние положение объекта в пространстве. На низких частотах (до 100 кГц) данного эффекта замечено не было.
Рис.1. Эквивалентная схема кожного региона
Для уменьшения влияния токов утечки на точность измерений было решено использовать схему детектора тока, где вместо регистрации только втекающего в объект тока, будут одновременно измеряться и втекающий, и вытекающий токи. Это позволит аппаратно минимизировать влияние токов утечки внутри объекта на конечный результат. Симуляция режима измерений распределённого (состоящего из нескольких RC цепей соединенных последовательно и имеющих емкостную связь с точкой нулевого потенциала) объекта в программе Electronics Workbench показала, что суммирование втекающего и вытекающего тока позволит скомпенсировать утечки тока на землю внутри объекта.
Касательно компонентной базы измерительного блока выбор пал на зарубежные микросхемы AD8056 фирмы Analog Devices, представляющие собой высокоскоростные операционные усилители. Данные микросхемы будут использоваться в качестве источника зондирующего тока и неинвертирующих усилителей с коэффициентом усиления Кус = 10 для обеспечения требуемой чувствительности аналого-цифровых преобразователей. Для сравнения, в таблице 1 приведены схожие параметры микросхем К544УД2А и AD8056.
Таблица 1
Характеристики микросхем К544УД2А и AD8056
|
Параметр |
К544УД2А |
AD8056 |
|
Входное сопротивсление, Ом |
1011 |
107 |
|
Входной ток, нА |
0,1 |
400 |
|
Полоса пропускания, МГц (при Кус = 1) |
20 |
300 |
|
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс |
110 |
1400 |
|
Напряжение смещения нуля, мВ |
30 |
5 |
|
Температурный коэффициент напряжения смещения нуля, мкВ/°С |
50 |
6 |
|
Напряжение питания, В |
±5...±15 |
±4...±6 |
|
Ток потребления, мА |
7 |
6,5 (на 1 канал) |
В качестве детекторов тока и разности потенциалов было решено использовать специализированные микросхемы дифференциальных усилителей того же производителя — AD8130, представляющие собой высокоскоростные дифференциальные усилители с возможностью аппаратного суммирования двух дифференциальных сигналов. Характеристики микросхемы приведены в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики микросхемы AD8130.
|
Параметр |
Единица измерения |
Значение |
|
Полоса пропускания (по уровню –3 дБ) |
МГц |
250 |
|
Скорость нарастания выходного напряжения, не менее |
В/мкс |
810 |
|
Время установления |
нС |
20 |
|
Входной ток |
нА |
2 |
|
Входное сопротивление |
МОм |
6 |
|
Напряжение смещения нуля |
мВ |
1,8 |
|
Напряжение питания |
В |
±2.25...±12.6 |
|
Ток потребления |
мА |
11.6 |
Результатом проведенной работы является схема электрическая принципиальная измерительного узла, изображенная на рисунке 2.
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная
В качестве формирователя зондирующего тока используется микросхема DA1:1. Входная цепь микросхемы устроена таким образом, чтобы на низкой частоте источник формировал переменный ток силой 0,5 мА, а с повышением частоты сила тока увеличивалась до 1 мА. Это сделано для уменьшения перегрузки микросхемы на низкой частоте, когда сопротивления образца велико, а значит для поддержания нужной илы тока требовалось бы большое напряжение на образце. В противном случае микросхеме не хватило бы динамического диапазона для поддержания нужной силы тока. В цепи ее обратной связи включены низкоомные резисторы R5 и R9, которые являются датчиками вытекающего и втекающего тока соответственно. Разность потенциалов на этих резисторах суммируется с помощью дифференциального усилителя DA3 и подаётся на вход АЦП2 микроконтроллера для дальнейшей обработки.
Напряжение на образце, возникающее на нем при прохождении зондирующего тока, регистрируется дифференциальным усилителем DA2. В схеме предусмотрена возможность выбора предела измерений с помощью электромеханического реле К1. В зависимости от положения контактной группы реле К1 на вход АЦП1 подаётся сигнал напрямую с выхода DA2, либо усиленный сигнал с выхода микросхемы DA4:1 (представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом К=10).
В соответствии со схемой электрической принципиальной была разработана топология печатной платы измерительного узла, изображенная на рисунке 3. Плата была задумана как «полуторослойная», т.е в нижнем слое располагаются печатные проводники, а в верхнем — перемычки, выполненные навесным монтажом.
Рис. 3. Топология печатной платы преобразователя
При разводке платы были учтены следующие нюансы: блокировочные ёмкости по шинам питания располагаются как можно ближе к соответствующим микросхемам; сигнальные цепи пролегают по возможности как можно дальше друг от друга; избегаются параллельные участки сигнальных цепей для уменьшения ёмкостной связи на высоких частотах; цепь земли выполнена толщиной 1.8 мм для уменьшения общего сопротивления цепи на высоких частотах.
Печатная плата измерительного преобразователя выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5мм «лазерно-утюжным» методом, широко распространённым и практикуемым среди радиолюбителей. Фотография макетного варианта приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Изготовленная печатная плата измерителя
Проведенные испытания разработанного измерителя показали достаточную точность в высокочастотной области, но так же определили пути дальнейшего совершенствования измерительного тракта — улучшение гальванической развязки с питающей сетью.
Литература:
1. Кузнецов В. В. Разработка аппаратуры для биоимпедансной поличастотной спектрометрии в диагностике дерматологических патологий / Томск, 2013
2. Ackmann J. J. Complex bioelectric impedance measurement system for the frequency range from 5 Hz to 1 MHz // Annals of Biomedical Engineering. — 1993. — Vol. 21 — P. 135–146.
3. Буянова Е. С., Емельянова Ю. В. Импедансная спектроскопия электролитических материалов: учебное пособие. — Екатеринбург: УрГУ, 2008. — 70 с.
4. Зуев А. Л., Мишланов В. Ю., Судаков А. И., Шакиров Н. В. Экспериментальное моделирование реографической диагностики биологических жидкостей // Российский журнал биомеханики. — 2010. — Т. 14, № 3. — C. 68–78.
