Sistema de medida de espectroscopia de impedancia eléctrica en el rango 100 KHz - 20 MHz para aplicaciones biomédicas

Abstract

Català: L´objectiu d´aquest treball és el disseny del nucli d´un sistema modular de mesura de bioimpedància elèctrica capaç de detectar variacions amb la major exactitud possible i en qualsevol cas millor al 1% i en un rang freqüencial de 20 MHz, de forma que pugui cobrir la major part d´aplicacions de mesura de bioimpedància. El disseny està basat en un desmodulador concret de prestacions avançades d´Analog Devices que condiciona la resta de components que l´integren. Pel desenvolupament del disseny s´han fet servir com a eines diferentes plaques d´evaluació també d´Analog Devices per incrementar la probabilitat d´èxit del disseny. Degut a que la freqüència de treball del sistema de mesura és de vàries decenes de MHz, s´han pres decisions per minimitzar les interferències d´alta freqüència. La implementació del disseny s´ha realitzat en una placa de circuit imprès de 4 capes amb l´objectiu de portar a la pràctica aquestes consideracions. Bàsicament, preservar la integritat dels senyals i possibilitar un traçat del layout sota criteris d´uniformitat entre canals, crític a altes freqüències. Per a la verificació del disseny s´ha conectat la placa a un front-end conegut i a un sistema d´adquisició extern. S´ha realitzat la caracterització de components per separat i del conjunt. Els resultats obtinguts s´han utilitzat per realitzar un calibratge del sistema de mesura. S´han realitzat mesures de xarxes RC utilitzant el model circuital de les suspensions cel.lulars amb diferents variacions d´impedància (mòdul i fase). També s´han realitzat mesures d´impedàncies dinàmiques com la monitorització de la respiració i la mesura de sedimentació de biomassa. Finalment, un cop comprovada la funcionalitat del disseny i les seves limitacions, s´ha deixat oberta la possibilitat a la realització de futures millores d´aquelles parts que es consideren més rellevants.

Castellano: El objetivo del trabajo es el diseño del núcleo de un sistema modular de medida de bioimpedancia eléctrica capaz de detectar variaciones con la mayor exactitud posible y en cualquier caso mejor que el 1% y en un rango frecuencial de 20 MHz, de forma que cubra la mayor parte de aplicaciones de medida de bioimpedancia. El diseño está basado en un demodulador concreto de prestaciones avanzadas de Analog Devices que condiciona el resto de componentes que lo integran. Para el desarrollo del diseño se han utilizado como herramientas diferentes placas de evaluación también de Analog Devices para aumentar la probabilidad de éxito del diseño. Debido a que la frecuencia de trabajo del sistema de medida es de varias decenas de MHz, se han tomado decisiones para minimizar las interferencias de alta frecuencia. La implementación del diseño se ha realizado en una placa de circuito impreso de 4 capas con el objetivo de llevar a la práctica estas consideraciones. Básicamente, preservar la integridad de las señales y posibilitar un trazado del layout bajo criterios de uniformidad entre canales, crítico a altas frecuencias. Para la verificación del diseño se ha conectado la placa a un front-end conocido y a un sistema de adquisicion externo. Se ha realizado la caracterización de componentes por separado y del conjunto. Los resultados obtenidos se han utilizado para realizar una calibración del sistema de medida. Se han realizado medidas de redes RC utilizando el modelo circuital de las suspensiones celulares con variaciones diferentes de impedancia (módulo y fase). También se han realizado medidas de impedancias dinámicas como la monitorización de la respiración y la medida de sedimentación de biomasa. Finalmente, una vez comprobada la funcionalidad del diseño y sus limitaciones, se ha dejado abierta la posibilidad a la realización de futuras mejoras de aquellas partes que se consideran más relevantes.

English: The goal of this project is the design of the core of an electrical bioimpedance measurement modular system to detect variations as accurately as possible and in any case better than 1% in a frequency range of 20 MHz to cover most of bioimpedance measurement applications. The design is based on a particular demodulator from Analog Devices with advanced features that determines the rest of the components. For the development of the design several evaluation boards from Analog Devices have been used before the design of the final prototype to increase the probability of success. Because the work frequency of the measurement system is several tents of MHz, decisions to minimize high frequency interferences have been taken. The implementation of the design has been done on a 4-layer printed circuit board in order to cover these considerations. Basically, preserve signal integrity and make possible the routing under channels uniformity criteria, which is critical at high frequencies. For the design verification the pcb has been connected to a known front- end and to external acquisition system. The results on the characterization of the components separately and put together has been used to perform the calibration of the measurement system. Measurements were carried out using RC networks using the models of concentrated parameters for cell suspensions with different variations of impedance (magnitude and phase). Also measurements of dynamic impedances as the respiration monitoring and the sedimentation of biomass have been performed. Finally, after verifying the design functionality and its limitations, the possibility for the realization of improvements in those parts that are considered most relevant has been left open.