Pomiary cieczy w medycynie

Wprowadzenie

Określenie składu i jakości cieczy jest niezbędnym elementem w szerokiej gamie zastosowań. Najważniejszym przykładem jest woda, najcenniejszy surowiec na świecie: coraz ważniejszą rolę odgrywają technologie oczyszczania i filtrowania wody i coraz ważniejszy jest też dostęp do stale malejących zasobów czystej wody. Jednak przykłady pomiarów cieczy sięgają daleko poza ten podstawowy przykład – pomiar płynów w medycynie, takich jak krew, ślina czy ekskrementy pod kątem możliwych chorób ma bezpośredni wpływ na zdrowie. Wszystkie te rodzaje pomiarów mają jednak jeden wspólny mianownik - pomiar impedancji. W tym artykule będziemy skoncentrować się na pomiarach płynów w zastosowaniach medycznych, opisując  poszczególne zastosowania oraz podkreślając wszechstronność pomiaru na zasadzie impedancji.

Pomiary płynów w medycynie

Najbardziej znanym pomiarem płynów w medycynie jest pomiar stężenia glukozy we krwi. W tym wypadku wystarczy kropla krwi na pasku testowym, aby określić poziomu cukru. Na podstawie tej wartości pacjent może dostosować swoje leki lub dietę. W przyszłości rozwój powinien odejść od pojedynczych pomiarów w kierunku metod ciągłego pomiaru, służącego do stałego monitorowania poziomu cukru we krwi. W takim przypadku, niezbędne byłyby bardzo dokładne i energooszczędne pomiary impedancji.

Innym zastosowaniem pomiaru płynów jest dializa. W przypadku przewlekłej niewydolności nerek krew musi być przefiltrowana. Pomiar przewodności płynu dializacyjnego jest również wykonywany poprzez analizę impedancji. W ten sposób można na przykład zmierzyć pH, przewodność, skład i nasycenie płynu.

Na koniec mierzy się również ekskrementy pacjentów. Tutaj badane są wydaliny ciała w celu wyciągnięcia wniosków na temat chorób i nieprawidłowości. Jest to stosunkowo nowa dziedzina medycyny z wieloma różnymi podejściami i szeroką gamą metod. Jednak podstawą jest pomiar impedancji za pomocą elektrod, który umożliwia wyciąganie wniosków na temat różnych chorób. Również i w tym zastosowaniu - oprócz pomiaru pH – wykonywane są pomiary przewodności.

Opisane tutaj aplikacje pomiarowe to tylko przykłady, istnieje znacznie więcej przykładów pomiarów płynów, które są przydatne w technologii medycznej dla ludzi i zwierząt, na przykład pomiar hormonów lub farmaceutyków.  Tutaj również ważna jest metoda impedancji.

Chociaż wszystkie pomiary określają różne parametry, zawsze są prowadzone w oparciu o analizę impedancji. Pomimo wielu odmian,  wszystkie te aplikacje mają jedną wspólną cechę – ogromne zapotrzebowanie na energooszczędne i oszczędzające miejsce rozwiązanie dla urządzeń przenośnych. Poniżej opisano różne metody pomiaru impedancji. Są one używane częściowo w połączeniu, a częściowo osobno, tak aby umożliwić przeprowadzenie pełnej analizy.

Różne zasady pomiaru impedancji

Chociaż podstawowa zasada pomiaru impedancji pozostaje taka sama dla wszystkich aplikacji, nadal istnieją duże różnice między poszczególnymi możliwościami pomiarowymi. Poniżej omówiono najistotniejsze metody pomiaru płynów.

Potencjostat

Najbardziej podstawowa i powszechnie stosowana zasada pomiaru oparta jest na

potencjostacie. Jak pokazano na Rysunku 1, potencjostat mierzy i kontroluje napięcie między elektrodą pracującą (WE) a elektrodą odniesienia (RE). Potencjał WE jest utrzymywany na stałym poziomie w stosunku do elektrody odniesienia poprzez regulację prądu płynącego przez licznik lub przez elektrodę pomocniczą.

Pomiar amperometryczny

Najprostsza forma pomiaru amperometrycznego polega na wyliczeniu odchylenia napięcia przyłożonego  do czujnika i prądu powrotnego. W tej metodzie pomiędzy RE i WE przykładane jest stałe napięcie, a profil prądu jest przekształcany na sygnał cyfrowy za pomocą przetwornika prądowo-napięciowego i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Profil prądu zależy zarówno od czujnika, jak i od mierzonej zmiennej - przykładowy obwód pokazano na Rysunku 2 za pomocą układu ADuCM355

Woltamperometria cykliczna

Pomiary woltamperometryczne opierają się na zjawiskach elektrochemicznych, dzięki którym

potencjał ogniwa elektrochemicznego jest powoli zwiększany, a następnie liniowo zmniejszany. W ten sposób potencjał podąża za kształtem fali trójkątnej, podczas gdy mierzony  jest prąd przepływający przez WE. Metoda ta jest formą elektrolizy, a powstały prąd jest wynikiem redukcji i utleniania, dzięki czemu próbkę można badać jakościowo i ilościowo.

Pomiar przewodności

Pomiary przewodności opierają się na określeniu rezystancji omowej cieczy. Aby przeprowadzić pomiar przy użyciu prądu przemiennego, dwie umieszczone równolegle do siebie obojętne elektrody zanurzane są w cieczy. Dzięki tak ustawionemu procesowi można oszacować ruchliwość i gęstość cząstek, a także stan natlenienia elektrolitu, co umożliwia wyciągnięcie wniosków na temat stężenia roztworu.

Pomiar pH

Pomiar pH opiera się na zasadzie reakcji półogniwowej, która zachodzi na membranie elektrody i jest bezpośrednio zależna od stężenia jonów H+. Na bazie różnicy potencjałów tworzy się napięcie, które wykazuje liniową zależność od wartości pH. Jednym z głównych problemów związanych z pomiarami pH jest to, że czujniki pH mają bardzo wysoką rezystancję szeregową, co stawia wysokie wymagania elektronice analitycznej.