Pomiary cieczy w medycynie

Analiza impedancji elektrochemicznej

Analiza impedancji elektrochemicznej to pomiar, w którym impedancja ogniwa elektrochemicznego lub czujnika jest mierzona w całym szeregu różnych częstotliwości. Za pomocą zmieniającej się impedancji na różnych częstotliwościach można mierzyć reakcję  czujnika i odpowiednio automatycznie dostosowywać łańcuch sygnałowy. Problemem jest tu spadek dokładności czujnika w czasie, co ma miejsce w okresie od kilku dni do kilku tygodni, co może negatywnie wpłynąć na ogólną dokładność pomiarów. Ma to miejsce na przykład w przypadku ciągłego pomiaru glukozy (CGM). Ponieważ pomiary te mają krytyczne znaczenia dla zdrowia, dokładność czujnika musi  być stale sprawdzana. Przykładowy obwód można zobaczyć na Rysunku 3

Opisane wcześniej pomiary medyczne różnią się znacznie pod względem wymagań i parametrów, a co za tym idzie również stosowanych metod pomiaru. Poza tym, zawsze należy pamiętać o wpływie temperatury – która każdorazowo również powinna być mierzona – i dokonać kompensacji i kalibracji. W celu uzupełnienia lub zwiększenia dokładności zwykle należy użyć kilku czujników. Stosując w konstrukcji układy dyskretne, przeprowadzenie pomiarów wymaga zajęcia dużej powierzchni na PCB i wysokiego poboru mocy.

W dzisiejszych czasach, zwłaszcza w przypadku technologii medycznych, poszukuje się małych, energooszczędnych i tanich rozwiązań, które można by umieścić w urządzeniach do noszenia. Aby sprostać tym wyzwaniom projektowym, ADI opracowało ADuCM355.

ADuCM355 - jeden rozmiar dla wszystkich

Jednym z rozwiązań, dzięki któremu można połączyć różne pomiary, jest ADuCM355. Ten wysoce zintegrowany układ scalony składa się z energooszczędnego, analogowego interfejsu (AFE) i mikrokontrolera, który przejmuje funkcje porządkowe i bezpieczeństwa, takie jak cykliczna kontrola redundancji (CRC). Schemat blokowy zawierający kluczowe komponenty ADuCM355 pokazano na Rysunku 4.

Układ kontroluje czujniki elektrochemiczne i biologiczne przy wyjątkowo niskim zużyciu energii. Chip oparty na rdzeniu ARM Cortex-M3 umożliwia pomiary prądu, napięcia i rezystancji. Oprócz 16-bitowego, wielokanałowego przetwornika SAR 400 kSPS ADC z buforami wejściowymi, układ zawiera też zintegrowany filtr AAF i programowalny wzmacniacz PGA.

Za dostosowanie do różnych typów czujników odpowiedzialny jest kolejny wzmacniacz transimpedancyjny TIA, ulokowany na wejściach prądowych i posiadający programowalne rezystory wzmacniające i obciążeniowe. AFE zawiera również wzmacniacze, które zostały specjalnie opracowane dla potencjostatu w celu utrzymania stałego napięcia polaryzacji względem zewnętrznego czujnika elektrochemicznego

Układ umożliwia wybór odpowiedniego kanału wejściowego poprzez multiplekser ulokowany przed przetwornikiem ADC. Kanały wejściowe obejmują trzy zewnętrzne wejścia prądowe, kilka zewnętrznych wejść napięciowych i kanały wewnętrzne. Dwa z trzech przetworników cyfrowo-analogowych DAC posiadają dwa wyjścia: pierwsze wyjście DAC steruje jednokierunkowym wejściem wzmacniacza potencjostatu, podczas gdy drugie steruje jednokierunkowym wejściem TIA. Z kolei trzeci przetwornik cyfrowo-analogowy (czasami określany jako szybki przetwornik cyfrowo-analogowy) jest przeznaczony do wysokowydajnego TIA, służącego do pomiarów impedancji. Zakres częstotliwości wyjściowej tego przetwornika DAC wynosi do 200 kHz. Procesor ARM Cortex-M3 jest również wyposażony w elastyczny wielokanałowy kontroler bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA), który obsługuje dwa niezależne porty szeregowego interfejsu peryferyjnego (SPI), uniwersalny asynchroniczny odbiornik/nadajnik (UART) oraz urządzenia peryferyjne do komunikacji I2C. W razie potrzeby można skonfigurować szereg urządzeń peryferyjnych do komunikacji do określonych zastosowań. Te urządzenia peryferyjne obejmują UART, I2C, dwa porty SPI i porty wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO). GPIO można łączyć z uniwersalnymi zegarami, tworząc wyjście z modulacją szerokości impulsu (PWM).

Szczegółowe pomiary

Większość czujników do opisywanych wcześniej pomiarów może być obsługiwana bezpośrednio przez wejścia ADuCM355. Działa to na przykład przy pomiarach prowadzonych za pomocą potencjostatu, takich jak pomiar glukozy. Jednak dokładniejsze pomiary, takie jak przewodność lub pH, wymagają rozszerzonego łańcucha sygnałowego, a tym samym zewnętrznego układu scalonego, takiego jak LTC6078. Zwiększa impedancję wejściową, aby dostosować ją do wysokiej impedancji wyjściowej czujników, a tym samym umożliwić dokładny odczyt. Oprócz pomiarów opisanych wcześniej, konieczny jest pomiar temperatury, aby można było skompensować wahania czujnika. Rozszerzoną zasadę pomiaru pokazano na Rysunku 5. Za pomocą rozszerzonego łańcucha sygnału,

ADuCM355 może odczytywać zarówno napięcie, jak i prąd. Za pomocą pokazanego obwodu można wykryć impedancje w zakresie od mniej niż 100 Ω do 10 MΩ.

Duży zakres pomiarowy umożliwia pokrycie pełnego spektrum impedancji wymaganego w medycynie. Wysoki zakres dynamiczny jest szczególnie ważny przy pomiarach przewodnictwa, umożliwia bowiem pomiar  różnych stężeń płynów.

Wnioski

Podczas gdy pomiary dla różnych cieczy opierają się na pomiarze impedancji, ich szczegółowa procedura różni się od siebie, co często wymaga włączenia do obwodu różnych czujników. Aby z jednej strony uwzględnić tę wszechstronność, a z drugiej dostosować się do rosnącego trendu w kierunku małych, energooszczędnych urządzeń, pilnie potrzebne jest inteligentne rozwiązanie. ADuCM355 nie tylko spełnia wszystkie te wymagania, ale pełni również rolę szwajcarskiego scyzoryka do pomiarów impedancji w medycynie. Ten układ scalony umożliwia – oprócz pomiarów płynów – inne pomiary impedancji w medycynie, na przykład analizę tkanki tłuszczowej lub impedancji skóry. Ponadto, dzięki swojej wszechstronności może również mierzyć gazy elektrochemiczne, takie jak CO lub CO2 za pomocą odpowiednich czujników. To sprawia, że ​​ADuCM355 jest uniwersalnym pakietem do pomiarów impedancji.

Artykuł został opublikowany dzięki uprzejmości © Analog Devices