Któż nie zna prawa Ohma? Dla stałych napięć elektrycznych mówi ono, że prąd w przewodniku jest wprost proporcjonalny do wartości przyłożonego napięcia. Innymi słowy, rezystancja przewodnika jest stała, niezależnie od prądu. Dla napięć zmiennych sytuacja zmienia się całkowicie i jest mocno zespolona*. Rezystancja staje się impedancją i jest zdefiniowana jako stosunek napięcia i prądu w dziedzinie częstotliwości. Moduł lub część rzeczywista reprezentuje stosunek napięcia do prądu, podczas gdy faza lub część urojona jest miarą przesunięcia fazowego między nimi.

Istnieje wiele zastosowań pomiarów impedancji w przemyśle medycznym. Technologia ta może być użyta między innymi w celu pomiaru określonych parametrów ciała, wykrywania chorób lub analizy płynów takich jak krew czy ślina. Mimo że wszystkie te zastosowania wymagają pomiaru impedancji, to każde z nich ma własne istotne wymagania.

Analog Devices rozwija nową rodzinę układów do pomiaru impedancji AD594x. Są one wysoce precyzyjne i mają kilka trybów poboru mocy, aby umożliwić zarówno pomiary jednorazowe jak i ciągłe. Z tego artykułu będzie można się wiele dowiedzieć o tych układach oraz ich głównych zastosowaniach.

Wprowadzenie i problematyka

Układy do analizy impedancji są relatywnie nowe. Około 15 lat temu, Analog Devices wprowadził układy AD5933/AD5934, które stanowiły pierwszą rodzinę układów do analizy impedancji. Druga generacja, nazwana ADuCM350, została zaprezentowana w roku 2015. Obie rodziny sprzedają się w dużych ilościach, ale nie zawsze stanowią najlepsze rozwiązanie do współczesnych zastosowań. Wraz z pojawieniem się trendu urządzeń „ubieralnych” i innych systemów zasilanych bateryjnie, głównym wyzwaniem stało się spełnianie rosnących wymagań przy jednoczesnej minimalizacji rozmiaru obudowy i poboru mocy. Rodzina AD594x została stworzona właśnie z myślą o współczesnym rynku urządzeń ubieralnych i ma za zadanie spełnić wszystkie jego kluczowe wymagania, włączając w to wysoką dokładność, mały rozmiar i niski pobór mocy.

Rysunek 1. Ogólny diagram blokowy układu AD594x

Układ AD594x (rys. 1) jest wielofunkcyjnym analizatorem impedancji, dopasowanym do zastosowań medycznych i przemysłowych. Wyjścia analogowe są całkowicie konfigurowalne i mogą być zmodyfikowane, aby sprostać wymaganiom dowolnych zastosowań, włączając w to aktywność elektrodermalną (ang. electrodermal activity – EDA) czy też reakcję skórno-galwaniczną (ang. galvanic skin response – GSR), analizę impedancji ciała, pomiary nawodnienia i pomiary biochemiczne. Niniejszy artykuł skupia się na zastosowaniach medycznych, ale układ AD594x może też przydać się w przemyśle, np. przy analizie gazów toksycznych, pomiarach współczynnika PH, przewodności, czy pomiarach jakości wody.

Pomiary względne dla EDA/GSR

Zasada pomiaru dwupunktowego może zostać wykorzystana do pomiaru impedancji względnej lub zmian impedancji. Jednym z potencjalnych zastosowań jest monitorowanie stresu i stanu psychicznego za pośrednictwem pomiarów aktywności elektrodermalnej lub reakcji skórno-galwanicznej. Monitorowanie stanu psychicznego i stresu jest istotne, ponieważ sytuacje stresujące w dłuższej perspektywie czasu mogą powodować przewlekłe choroby takie jak cukrzyca, problemy z sercem albo rak. Podczas zmian psychicznych lub pod wpływem stresu, układ współczulny ludzkiego ciała aktywuje gruczoły potowe w skórze. Zjawisko to powoduje wzrost przewodnictwa skóry, a w efekcie spadek impedancji.

Rysunek 2. Zasada pomiaru EDA lub GSR

Monitorowanie impedancji skóry jest pomiarem woltamperometrycznym. Do nieznanej impedancji (w tym przypadku skóry) przykładany jest sygnał pobudzający i mierzone jest napięcie na jej końcach. Następnie wykonywany jest pomiar wartości prądu i obliczenie transformaty Fouriera na wynikach konwertera analogowo-cyfrowego, w celu uzyskania wartości zmiany impedancji. Rysunek 2 pokazuje ogólną zasadę pomiarów EDA lub GSR. Pomiar ten wykonywany jest z częstotliwością pobudzeń zbliżoną do prądu stałego. Rekomendowany jest pomiar z taką niską częstotliwością, zamiast całkowicie stałego napięcia, aby zapobiec polaryzacji elektrody i wyeliminować możliwość uszkodzenia ludzkich tkanek. Generalnie stosuje się częstotliwość pobudzeń maksymalnie do 200 Hz, ponieważ wyższe częstotliwości mogą dostać się do wnętrza ciała zamiast wykonać pomiar na powierzchni skóry. W zależności od zlokalizowania elektrod na ciele zmiany przewodności mogą ulegać zmianie wraz ze zmianami stanu fizycznego lub psychicznego.

Nie ma bezpośredniej zależności zmian w mierzonej impedancji od napięcia psychicznego, więc zazwyczaj pomiar wykonuje się równolegle z, na przykład, tętnem bicia serca lub jego zmiennością. Specjalne algorytmy łączą wyniki różnych pomiarów, aby oszacować poziom stresu. Technologia EDA/GSR wymaga całodobowych pomiarów, a układ AD59xx został właśnie w tym celu zaprojektowany. Pobór mocy wynosi poniżej 80 μA przy częstotliwości danych wyjściowych na poziomie 4 Hz. Pomiarów EDA/GSR używa się także do analizy snu.

Pomiar 4-punktowy do analizy impedancji ciała

W zastosowaniach medycznych popularnym rodzajem pomiarów impedancji jest analiza bioimpedancji (ang. bioimpedance analysis, BIA). BIA to 4-punktowy sposób pomiaru, co przydaje się jeśli wymagana jest najlepsza możliwa dokładność pomiarowa. Przy pomocy układów AD59xx można obsłużyć aplikacje, które wymagają dostarczania danych z częstotliwością nawet 50 kHz i stosunku sygnału do szumu na poziomie 100 dB. Jednym z najczęściej spotykanych pomiarów 4-punktowych jest pomiar składu ciała, w którym mierzy się zawartość tłuszczu. Konfiguracja ta może jednak zostać użyta także do monitorowania ilości wody w ludzkim ciele albo do pomiarów zachowań serca przy spektroskopii bioimpedancyjnej. Zasady pomiaru są dokładnie takie same, jednak do różnych zastosowań można odpowiednio dobrać częstotliwość pobudzania oraz miejsce przyłożenia elektrod do ciała. Rysunek 3 pokazuje zasadę działania pomiaru 4-punktowego. Nieznana wartość Z symbolizuje ludzkie ciało. Napięcie jest przykładane do mierzonej impedancji żeby zrównać potencjały we wszystkich punktach, a po przyłożeniu napięcia pobudzenia zostaje przeprowadzony pomiar odpowiedzi prądowej za pomocą szybkiego wzmacniacza transimpedancyjnego. Ostateczną impedancję można policzyć ze wzoru Z = V_COMMON/I.

Rysunek 3. Pomiar 4-punktowy do analizy impedancji ciała

Na diagramie blokowym rysunku 3 widać, że impedancja odizolowana jest od części mierniczej przez rezystory i kondensatory. Rezystory ograniczają maksymalny prąd jaki może płynąć przez ciało. Pojemności C_ISO zapobiegają generowaniu prądu stałego między elektrodami lub elektrodą a uziemieniem. Jest to jedno z wymagań medycznych standardów bezpieczeństwa, takich jak IEC 60601.

Jak wspomniano wcześniej, lokalizacja elektrod na ciele, jak również częstotliwość prądu pobudzenia, są zależne od rodzaju przeprowadzanego pomiaru. Prądy o niskich częstotliwościach, do kilkuset Hz, pozostają na powierzchni ciała, podczas gdy wyższe częstotliwości mogą je penetrować głębiej. U zdrowych osób woda stanowi około 60% masy ciała. Jedna trzecia tej wody to tak zwane płyny pozakomórkowe, a reszta znajduje się wewnątrz struktur komórkowych. Ze względu na model elektryczny struktur komórkowych, prąd przemienny o częstotliwości do 50 kHz  przenika przez płyny pozakomórkowe. Wyższe częstotliwości przenikają do wnętrza struktur komórkowych i uwzględniają przy pomiarze także płyny wewnątrzkomórkowe. W zależności od zlokalizowania elektrod, częstotliwości prądu pobudzenia i algorytmu użytego do interpretacji pomiarów impedancji, można ustalić skład ludzkiego ciała, np. procentową zawartość tłuszczu lub ilość wody w ciele (przy stwierdzaniu odwodnienia). Układy AD59xx można zastosować w każdym z tych przypadków. Dodatkowo, częstotliwości mogą się różnić w zależności od pomiaru. Analizę składu ciała zazwyczaj przeprowadza się raz dziennie, jednak pomiary takie jak odwodnienie przeprowadza się w sposób ciągły. Przy takich pomiarach krytyczne jest rozpraszanie ciepła generowanego przez układ i dlatego wielką zaletą jest tu elastyczność układów AD59xx.

Do innych zastosowań AD59xx można zaliczyć pomiar tempa oddechu w oparciu o impedancję klatki piersiowej, a także pomiar impedancji w celu oszacowania pojemności pęcherza.

AD59xx przy pomiarach biochemicznych

Analiza biochemiczna to kolejne zastosowanie układów AD59xx. Technologia ta wykorzystuje pomiary miernikiem amperometrycznym i potencjostatem na czujnikach, które modelują typowe komórki elektrochemiczne. Czujnik często stanowi pasek testowy z reagentem, na który nakłada się próbkę badanego materiału. Każdy analit (składnik próbki, który podlega oznaczaniu), który można utlenić lub zredukować (co stanowi przeciwieństwo utleniania) może posłużyć do pomiaru amperometrycznego. W zastosowaniach medycznych analizowane mogą być różne próbki płynów ustrojowych, np. krew, mocz lub ślina. System wymaga programowalnego źródła prądowego i wzmacniacza potencjostatu. Najprostsza forma pomiaru amperometrycznego polega na podaniu na czujnik krokowego napięcia odpowiedzi, co powoduje reakcje chemiczną. Prąd jest mierzony wzmacniaczem transimpedancyjnym i odnoszony do przebiegu reakcji. Oprócz wspomnianej 2-punktowej techniki, układ AD59xx może także obsłużyć 3- i 4-punktowe pomiary amperometryczne.

Ponieważ technika pomiaru zawsze jest taka sama, pasek testowy determinuje jego rodzaj. Najpopularniejszym jest pomiar glukozy we krwi i często wykorzystuje się go do pomiarów biochemicznych pacjentów z cukrzycą. W konfiguracji 3-punktowej, komórka elektrochemiczna składa się z elektrody roboczej, na której ma miejsce reakcja, elektrody referencyjnej, która utrzymuje stały potencjał, i elektrody liczącej, która dostarcza prądu do reakcji. Diagram blokowy takiej konfiguracji przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4. Diagram blokowy 3-punktowego analizatora biochemicznego

Potencjostat dostarcza pożądany potencjał V_CELL pomiędzy elektrody WE i RE i mierzy prąd reakcji pomiędzy elektrodami WE i CE. Istnieje trend odejścia od pojedynczych pomiarów glukozy na rzecz ciągłych jej pomiarów (ang. continuous glucose monitoring – CGM). Miernik w sposób ciągły mierzy poziomy cukru we krwi i przesyła dane do pompy insulinowej. Pompa podaje wówczas wymaganą dawkę insuliny. Ta technologia sztucznej trzustki ułatwia życie chorym na cukrzycę. Ręczne pomiary poziomu glukozy we krwi zostały zastąpione całkowicie niezależnym od człowieka systemem. Układy AD59xx doskonale nadają się do tego typu aplikacji, gdyż zużywają mało prądu utrzymując wysoką dokładność działania, a także są w stanie przeprowadzić wszystkie niezbędne pomiary. System na rysunku 4 posiada trzy główne funkcje: biochemiczny interfejs analogowy, mikrokontroler oraz dedykowany układ do zarządzania mocą. W bliskiej przyszłości interfejs zostanie zintegrowany z mikrokontrolerem w celu zmniejszenia całkowitej powierzchni zajmowanej na płytce.

Technologia ta, oprócz pomocy cukrzykom, może zostać wykorzystana przy pomiarach niezbędnych w wielu innych chorobach a także do badania zawartości leków oraz hormonów. W zastosowaniach przemysłowych jest głównie wykorzystywana do wykrywania gazów i analizy fluidów.

Możliwości i podstawowe parametry układów AD59xx

Rodzina układów AD59xx to analogowy front end (AFE) wysokiej precyzji zaprojektowany dla technik pomiarowych opartych o pomiary elektrochemiczne, np. do amperometrii, woltametrii i pomiaru impedancji. Front end ten posiada tryb obniżonego poboru energii w celu obsługi urządzeń przenośnych i zasilanych bateryjnie. Jednocześnie, układ ma możliwość pracy w zastosowaniach diagnostycznych wymagających wysokiej wydajności, które występują w klinikach i laboratoriach.

Układ AD5940 został zaprojektowany wokół trzech głównych bloków: łańcucha wejść sygnałowych, generatora przebiegów z kanałem transmisyjnym oraz sekwencera z modułem dyskretnej transformaty Fouriera (DFT) do pomiarów impedancji zespolonej. W zależności od zastosowania, pętla pobudzająca z kanałem wejściowym może być różnie skonfigurowana. Do zastosowań, które wymagają prądu pobudzenia o częstotliwości do 200 Hz, można wykorzystać energooszczędny i niskoszumny wzmacniacz potencjostatu. Do aplikacji wymagających wyższej częstotliwości pobudzania, do 200 kHz, wykorzystuje się zintegrowany szybki przetwornik cyfrowo-analogowy. Przetwornik ten może generować przebieg sinusoidalny i trapezoidalny. Dla każdego trybu, zarówno niskomocowego jak i szybkiego, dodano dedykowany wzmacniacz transimpedancyjny. Są to programowalne moduły, które można wykorzystywać do szerokiego spektrum czujników, potencjalnie podłączanych do AFE. Można także mierzyć kanały pomocnicze, takie jak zewnętrzne napięcia i prądy lub sygnały diagnostyki wewnętrznej, np. napięcie zasilania, temperatura układu lub napięcie referencyjne. Wyjście tego multipleksera, który służy do wyboru kanału, podłączone jest za pośrednictwem bufora, programowalnego wzmacniacza i filtru antyaliasingowego do 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego o częstotliwości próbkowania 800 kSPS, działającego w oparciu o zasadę kompensacji (ang. successive approximation register – SAR).

Wnioski

Elektronika ubierana, punkty pomiarowe systemów chmurowych, Internet Rzeczy to terminy, które spotykamy niemal codziennie. Miernictwo to bardzo istotny aspekt wszystkich tych systemów a pomiary impedancji to jedna z istotniejszych kategorii. Układ AD59xx został opracowany aby sprostać współczesnym wymaganiom. Stanowi on wydajny i elastyczny front end, zaprojektowany do analizy impedancji w zastosowaniach biochemicznych i elektrochemicznych. Połączenie wysokiej precyzji, ultra niskiego poboru mocy i małych rozmiarów otwiera przed nim dużo nowych rynków i zastosowań, w których wcześniej nie było żadnego wyboru. Ta rodzina malutkich układów ma szczególnie dużo zalet w systemach przenośnych i zasilanych bateryjnie. Układy AD59xx świetnie współpracują z AD8233, będącym silnie scalonym front endem do pomiarów tętna. Oba układy mogą pracować w konfiguracji master/slave, w którym pomiar tętna następuje przy pomocy tych samych elektrod na ciele pacjenta. Do roli procesora rekomendowanym układem jest niskomocowy ADuCM3029 Cortex-M3, w połączeniu z ADP5350 do zarządzania energią i ładowania baterii litowo-jonowych.

Dostępne są różne płytki ewaluacyjne do różnych zastosowań, co pomoże skrócić cykl projektowy i czas dostarczenia produktu do sprzedaży.

*angielskie słowo „complex” oznacza zarówno „zespolony” jak i „skomplikowany”