ניתוח עכבה ביולוגית (BIA) עם AD5933: 9 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

הייתי מעוניין להכין מנתח עכבה ביולוגית למדידות הרכב הגוף וחיפושים אקראיים שלי כל הזמן מצאו עיצוב משיעור מכשור ביו -רפואי לשנת 2015 באוניברסיטת ונדרבילט. עבדתי על העיצוב ושיפרתי אותו מעט. ברצוני לשתף אתכם בממצאי. קח את מה שאתה יכול להשתמש ב"התקנה "הזו אם משהו לא ברור אנא הציע שיפורים. אולי יום אחד אכתוב את המחשבה שלי בצורה מגובשת יותר, אבל בינתיים אני מקווה שתוכל להשתמש בכל מה שאתה רואה כאן. (אם אתה חושב שאתה יכול לכתוב את זה ולשפר, אתה מוזמן)

טדי

עיצוב זה מורכב משבב AD5933 וממשק קדמי אנלוגי מותאם אישית (AFE) לממשק ה- AD5933 עם הגוף. ה- AD5933 מבצע את המדידה ולאחר מכן ניתן לעבד את התוצאות על ידי מיקרו -בקר (למשל ארדואינו).

אם אתה מתכנן להשתמש ב- Arduino כספק כוח וודא שהמגברים התפעוליים והמכשוריים (אופ-אמפר ו-אמפר) תומכים במתח "אספקה יחידה" ובעלי מפרט מסילה לרכבת.

(להלן אשתמש באספקת חשמל (מארדואינו) של 5V ובהגדרת טווח 1 ב- AD5933.)

שלב 1: שלב הטיה מחדש

החלק הראשון של ה- AFE הוא שלב של הטיה מחדש. אות מתח היציאה אינו מרוכז באמצע טווח מתח האספקה (VDD/2). זה מתוקן באמצעות קבלים כדי לחסום את החלק DC של האות ושליחתו באמצעות מפצל מתח כדי להוסיף קיזוז DC בחזרה לאות.

שני נגדי הטיה מחדש יכולים להיות כל ערך כל עוד הם זהים. גם הערך הספציפי של המכסה אינו חשוב.

שלב ההטיה מחדש פועל כמו מסנן מעבר גבוה ולכן יש לו תדר ניתוק:

f_c = 1 / (2 * pi * (0.5 * R) * C)

וודא שתדירות הניתוק נמצאת כמה עשורים מתחת לתדירות המינימלית שבה אתה מתכוון להשתמש. אם אתה מתכנן להשתמש ב- 1kHz ביישום שלך, עליך ללכת על מכסים וערכי הנגד שיעניקו לך תדר ניתוק בסדר גודל של 1-10 הרץ.

החלק האחרון של שלב זה הוא מגבר אופטי המוגדר להיות חסיד מתח. זאת כדי לוודא שערכי הנגד אינם מפריעים לשלב הבא

שלב 2: התנגדות חישה נוכחית

החלק הראשון של השלב הבא הוא הנגד החישה הנוכחי. הזרם דרך הנגד הזה יהיה אותו זרם שהמגבר ינסה לשמור עליו דרך הגוף. וודא כי הזרם תואם את תקני הבטיחות IEC6060-1*:

מתחת לתדרים של 1 קילוהרץ מותר לכל היותר 10 מיקרו אמפר (RMS) דרך הגוף. בתדרים מעל 1kHz המשוואה הבאה נותנת את הזרם המרבי המותר:

זרם AC מרבי <(תדר מינימלי בקילוהרץ) * 10 מיקרו אמפר (RMS)

הקשר בין משרעת השיא של אות AC לערך RMS שלו הוא: שיא = sqrt (2) * RMS. (10 RMS של מיקרו אמפר תואמים 14 משרעת שיא של מיקרו אמפר)

באמצעות חוק אוהם על הנגד נוכל לחשב את ערך הנגד שיעמוד בתקן הבטיחות. אנו משתמשים במתח העירור מה- AD5933 ובערך הנוכחי המרבי:

U = R * I => R = U / I

לְמָשָׁל. שימוש בהגדרת טווח 1 Upeak = 3V / 2 = 1.5V (או 1V @3.3V)

שימוש בערך 14 שיא microAmp מלמעלה אני מקבל ערך הנגד של לפחות 107kOhms

הפניות:

* מכשירים אנלוגיים: "עיצוב מעגל ביו-עכבה למערכות שחוקות גוף"

שלב 3: מגבר הטרנס-מוליכות

לאחר עמידת החישה הנוכחית יש מגבר אופ בתצורת משוב שלילי. זוהי התקנת מה שנקרא Load-in-the-Loop. מסוף הכניסה החיובי של מגבר ה- op מחובר למתח VDD/2. מגבר ה- op ינסה כעת להתאים את תפוקתו בכיוון ההפוך לאות העירור כך שהמתח במסוף השלילי יהיה שווה ל- VDD/2. זה ייצור פוטנציאל ניסור לדחוף ולמשוך את הזרם דרך הגוף.

הזרם שנמשך מהמסוף השלילי של מגבר ה- op הוא כמעט אפסי. כל הזרם דרך הנגד החישה הנוכחי צריך אפוא לזרום דרך הגוף. זהו המנגנון שהופך את ההתקנה הזו למגבר טרנס-מוליכות (נקרא גם מקור זרם מבוקר מתח, VCCS).

המגבר האופטי יכול לשמור על הזרם רק אם העכבה של הגוף אינה גבוהה מדי. אחרת יציאת מגבר ה- op-amp רק תצא למקסימום במתח האספקה (0 או 5 וולט). טווח המתחים המרבי שניתן לשמור עליו הוא VDD/2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V אספקה). יש להפחית את שולי המתח של המגבר מהערך הזה, אך אם למגבר ה- op יש מפרטי מסילה לרכבת זה יהיה רק כמות קטנה. העכבה המרבית שמגבר ה- op יכול להניע היא:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(בהתקנה שלי Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, המשאלה היא מספיק כדי לכסות את טווח העכבה של הגוף)

לנגד המגן יש ערך גדול מאוד (1-1.5 MOhms) בהשוואה לגוף (כ- 100kOhms) ועל כל הפעולות הרגילות זה לא ימשוך זרם ניכר והעכבה של החיבור המקביל נשלטת על ידי העכבה של הגוף. אם העכבה של הגוף צריכה לעלות (למשל רפידות משתחררות) הזרם יכול לעבור דרך הנגד וההתרגשות החוצה של המגבר לא תגרום למתח לא נעים ברפידות.

שלב 4: מגבר המכשור

השלב הבא הוא מגבר המכשור (במגבר) המודד את המתח על פני הגוף. המתח על פני הגוף מתנדנד סביב 0V, אך ה- AD5933 זקוק למתח הכניסה כדי להיות בטווח חיובי. לכן המגבר מוסיף קיזוז DC של VDD/2 לאות המתח הנמדד.

הפניה VDD/2 נוצרת על ידי מחלק מתח. ניתן להשתמש בכל נגד ערך כל עוד הם זהים. מחלק המתח מופרד מהעכבה של שאר המעגלים על ידי עוקב מתח. לאחר מכן ניתן להעביר את הפלט של עוקב המתח הן למגבר והן למגבר הטרנס-מוליכות.

שלב 5: שלב הכניסה וכיול

שלב הכניסה של ה- AD5933 מכיל מגבר אופ בתצורת משוב שלילי. ישנם שני נגדים: אחד בסדרה (רין) ואחד במקביל (RFB). הרווח של מגבר ה- op ניתן על ידי

A = - RFB / Rin

הרווחים של מגבר הקלט והמגבר (ו- PGA) צריכים לוודא שהאות שנכנס ל- ADC של ה- AD5933 הוא תמיד בתוך 0V ו- VDD.

(אני משתמש ברווח אחדות במגבר וערכי הנגד שייתן בערך A = 0.5)

בתוך ה- AD5933 ה- ADC יהפוך את אות המתח לאות לאות דיגיטלי. טווח המתחים בין 0V ל- VDD מומרת לטווח הדיגיטלי 0-128 (2^7). (התיעוד אינו ברור בנושא זה, אך בחינה מדוקדקת של החלקות ב [1] והתנסות מסוימת מצידי מאשרת זאת).

בתוך מודול ה- DFT ישנה קנה מידה נוסף של 256 (1024/4, ראה [1]) לפני שהתוצאה נשמרת במרשם האמיתי והדמיוני.

על ידי מעקב אחר אות המתח דרך ה- AFE, לתוך ה- ADC ושימוש בגורמי הסולם שהוזכרו קודם אפשר להעריך את גורם הרווח להיות:

g = (VDD * Rcurrent * Rin) / (256 * PGA * Upeak * RFB * 2^7)

ייתכן שעדיין יהיה צורך בכיול כלשהו, לכן יש לקחת בחשבון כמה השפעות שאינן חלק ממודל מתמטי זה, לכן אנא מדוד את ערך הרווח האמיתי על ידי מדידת רכיבים בעלי עכבה ידועה, כמו נגדים. (g = Z / mag, ראה להלן)

כעת ניתן לחשב את העכבה על ידי

Z = g * mag

mag = sqrt (אמיתי^2 + דמיוני^2)

PA = arctan2 (אמיתי, דמיוני) - deltaPA

סביר להניח שצריך לכייל את הרשות הפלסטינית, כמו גם יש שינוי פאזה שיטתי כפונקציה של תדר ב- AD5933. deltaPA תהיה כנראה פונקציה לינארית כלשהי של התדר.

כעת ניתן לחשב את ההתנגדות והתגובה על ידי

R = Z * cos (PA)

X = Z * חטא (PA)

הפניות: [1] ליאוניד מצייב, "שיפור הביצועים ורבגוניות של מערכות המבוססות על גלאי DFT בתדר יחיד כגון AD5933", אלקטרוניקה 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

שלב 6: דברים מתקדמים: דליפה ספקטרלית (DC)

האות שאנו מכניסים ל- AD5933 הוא מתח/זרם כפונקציית זמן, אך האינטרס העיקרי שלנו הוא העכבה כתפקוד של תדר. כדי להמיר בין תחום זמן לדומיין תדרים עלינו לקחת את הטרנספורמציה פורייה של האות תחום הזמן. ל- AD5933 יש מודול מובנה של Fourier Transform (DFT) דיסקרטי מובנה. בתדרים נמוכים (מתחת לכ- 10 קילו -הרץ) ה- DFT הנגרם מושפע מכינוי ודליפות ספקטרליות. בשנת [1] הוא עובר את המתמטיקה כיצד לתקן את הדליפה הספקטראלית. המהות של זה היא לחשב חמישה (ועוד שני) קבועים עבור כל שלב תדר בסחיפה. ניתן לעשות זאת בקלות למשל על ידי Arduino בתוכנה.

הדליפה מגיעה בשני צורות: דליפת DC שהיא תוסף באופייה ודליפת AC שהיא מכפלת באופיה.

דליפת DC נובעת מהעובדה שאות המתח ב- ADC אינו מתנדנד סביב 0V אלא סביב VDD/2. רמת DC של VDD/2 אמורה להתאים לקריאת DC דיגיטלית של כ -64 (דלתא מיועדת ב [1]).

השלבים לתיקון דליפת הספקטרום DC:

1) חשב את גורם המעטפה E עבור התדר הנוכחי.

2) חשב את שני גורמי הרווח GI (אמיתי) ו- GQ (דמיוני)

3) הפחת את דלתא * GI מערך הרישום האמיתי ודלתא * GQ מערך המרשם הדמיוני

הפניות:

[1] ליאוניד מצייב, "שיפור הביצועים ורבגוניות של מערכות המבוססות על

גלאי DFT בתדר יחיד כגון AD5933 , אלקטרוניקה 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] קונרד צ'אבובסקי, טומאש פיאסצקי, אנדז'יי דז'ירקה, קארול ניטש, "מדי עכבה בטווח תדרים פשוט רחב המבוסס על מעגל משולב AD5933", מטרול. מידה. Syst., כרך XXII (2015), מס '1, עמ' 13–24.

שלב 7: דברים מתקדמים: דליפה ספקטרלית (AC)

בדומה לדליפת ה- DC ניתן לתקן את דליפת ה- AC מתמטית. ב- [1] ההתנגדות והתגובה נקראות A*cos (phi) ו- A*sin (phi) בהתאמה, כאשר A מתאים לגודל העכבה ו- phi מתאים לזווית הפאזה (PA).

השלבים לתיקון דליפת הספקטרום AC:

1) חשב את גורם המעטפה E (לא אותו הדבר כמו DC) עבור התדר הנוכחי.

2) חשב את שלושת הגורמים a, b ו- d. (בערך ערכים בתדרים גבוהים יותר: a = d = 256 ו- b = 0)

3) כעת ניתן לחשב את ההתנגדות (Acos (phi)) ואת התגובה (Asin (phi)) ביחידות דיגיטליות

הפניות: [1] ליאוניד מצייב, "שיפור הביצועים ורבגוניות של מערכות המבוססות על גלאי DFT בתדר יחיד כגון AD5933", אלקטרוניקה 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] קונרד צ'אבובסקי, טומאש פיאסצקי, אנדז'יי דז'ירקה, קארול ניטש, "מדי עכבה בטווח תדרים פשוט רחב המבוסס על מעגל משולב AD5933", מטרול. מידה. Syst., כרך XXII (2015), מס '1, עמ' 13–24.

שלב 8: דברים מתקדמים: גורם הרווח התיאורטי

בהתחשב במודל המתמטי של ה- DFT צריך להיות אפשרי גם לדגמן את כל ה- AFE באופן מתמטי. מבחינה מתמטית ניתן לתאר את אות המתח על ידי פונקציית סינוס עם תדר קבוע נתון, קיזוז DC ותנודת AC עם משרעת שיא. התדירות אינה משתנה במהלך שלב תדר. מכיוון שגורם הרווח רק משנה את גודל העכבה ולא את הרשות הפלסטינית, לא נעסוק כאן בשום שינוי פאזה הנגרם באות.

להלן סיכום קצר של אות המתח כשהוא מתפשט דרך ה- AFE:

1) לאחר שלב ההטיה המחודשת משרעת ה- AC עדיין עדיפה = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) ושינוי המתח DC השתנה ל- VDD/2.

2) בנגד החישה הנוכחי המתח שקט זהה לשלב הקודם …

3) … אך בשל מתח הנדנדה של מגבר ה- OP יש תנודות AC בגודל Z*Upeak/Rcurrent. (קיזוז DC מבוטל על ידי מתח ההתייחסות של אמפר -אמפר של VDD/2 - נקודת הציר של הנדנדה - והופך לאדמה סגולה בחלק זה של המעגל)

4) המגבר האחדות מוסיף את קיזוז DC של VDD/2 חזרה פנימה ומעביר את האות לשלב הקלט של ה- AD5933

5) למגבר ה- op בשלב בשלב הכניסה יש רווח של A = -RFB/Rin ומשרעת ה- AC הופכת לכן (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) ממש לפני ה- ADC יש מגבר רווח הניתן לתכנות (PGA) עם שתי הגדרות רווח של 1 או 5. אות המתח ב- ADC הופך לפיכך ל: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ה- ADC ממיר את האות v (t) לאות דיגיטלי x (t) = u (t) / VDD * 2^7 עם דיוק של 12 סיביות.

גודל A מחובר לעכבה Z על ידי גורם הרווח, k, כ- A = k * Z ויש לו ערך בערך של k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

אם אתה אוהב לעבוד עם רווח-גורם במקום זאת g = 1 / k ו- Z = g * A.

שלב 9: דברים מתקדמים: משמרת הרשות הפלסטינית

ב- [2] הם מוצאים שינוי שיטתי ברשות הפלסטינית כפונקציה של התדר. הסיבה לכך היא עיכוב בזמן בין ה- DAC בו נוצר אות ההתרגשות לבין ה- DFT שבו צריך להתפתל האות הנכנס עם האות היוצא.

השינוי מאופיין במספר מחזורי השעון שהאות הוא עיכוב בין ה- DAC ל- DFT באופן פנימי ב- AD5933.

הפניות: [1] ליאוניד מצייב, "שיפור הביצועים ורבגוניות של מערכות המבוססות על גלאי DFT בתדר יחיד כגון AD5933", אלקטרוניקה 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] קונרד צ'אבובסקי, טומאש פיאסצקי, אנדז'יי דז'ירקה, קארול ניטש, "מדי עכבה בטווח תדרים פשוט רחב המבוסס על מעגל משולב AD5933", מטרול. מידה. Syst., כרך XXII (2015), מס '1, עמ' 13–24.