DOI: https://doi.org/10.20998/2522-9052.2020.2.15

РОЗРОБЛЕННЯ ЦИФРОВОГО ЕКВАЛАЙЗЕРА ДЛЯ БІОСЕНСОРА ПОРТАТИВНОГО АНАЛІЗАТОРА БІОІМПЕДАНСУ

Yuriy Khoma, Volodymyr Khoma

Анотація


У статті описано новий підхід до побудови портативного частотного аналізатора біоімпеданса. Новизна підходу полягає у синтезі алгоритмів коригування, які виконують функцію цифрового еквалайзера із вирівнювання частотної характеристики сенсора біоімпедансу. Реалізація підходу дає змогу більш ніж на два порядки розширити діапазон робочих частот без ускладннення структури частотного аналізатора біоімпедансу. Предметом дослідження є метод побудови низькозатратного частотного аналізатора біоімпеданса для персонального застосуваня у домашніх умовах зокрема як носимого пристрою. Мета дослідження – розроблення нового підходу до побудови біосенсора, як базового компенента портативного частотного аналізатора біоімпедансу. Новий підхід базується на максимальному спрощенні аналогової частини біосенсора і використанні обчислювальних засобів для коригування динамічних похибок вимірювального каналу. Ключовим аспектом для реалізації такого підходу є синтез функції цифрового еквалайзера у вигляді алгоритмів коригування динамічних похибок. Результати. Обгрунтовано доцільність побудови сенсора біоімпедансу за методом автоматичного балансування моста. Показано, що основною проблемою на цьому шляху є динамічні похибки, які обмежують діапазон робочих частот. Проаналізовано частотну передатну функцію автокомпенсаційного перетворювача і виділено три найбільш істотні джерела динамічних похибок. Формалізовано передатну функцію, де дестабілізуючі впливи представлено трьома коефіцієнтами. Запропоновано методологію синтезу алгоритмів коригування «сирих» результатів вимірювання, які, по суті, реалізують функцію цифрового еквалайзера. Підкреслено, що імплементація цифрового еквалайзера не потребує змін у структурі сенсора біоімпедансу, а лише залучає обчислювальну потужність, яку вже мають сучасні вимірювальні засоби. Досліджено ефективність алгоритмів коригування в діапазоні частот від 10 Гц до декількох МГц шляхом симуляції сенсора біоімпедансу на моделі Pspice. Результати досліджень показали можливість розширення діапазону робочих частот більш ніж на дві частотні декади. Висновки. Показано необхідність розроблення цифрового еквалайзера для портативного аналізатора біоімпедансу. Запропоновано інноваційний підхід щодо зменшення динамічних похибок на основі синтезу та використання алгоритмів коригування. Досліджено ефективність синтезованих алгоритмів і показано можливість істотного розширення діапазону робочих портативного аналізатора біоімпедансу.

Ключові слова


портативний частотний аналізатор біоімпеданса; біосенсор; автокомпенсаційний перетворювач; цифровий еквалайзер; алгоритми коригування динамічних похибок

Повний текст:

PDF

Посилання


Barsoukov, E. and Macdonald, J.R. (2005), Impedance spectroscopy: theory, experiment and application, 2nd ed., Willey, N.Y., 616 p.

Lvovich, V.F. (2012), Impedance spectroscopy. Application to Electrochemical and Dielectric Phenomena, A John Wiley & Sons Inc., New Jersey, 350 p.

Hoja, J. and Lentka, G. (2013), “A family of new generation miniaturized impedance analyzers for technical object diagnostic”, Metr. & Meas. Syst., Vol. 20, No. 1, pp. 43–52. DOI: https://doi.org/10.2478/mms-2013-0004.

Sami, F.K., Mas, S.M. and Fatimah, I. (2014), “The Theory and Fundamentals of Bioimpedance Analysis in Clinical Status Monitoring and Diagnosis of Diseases”, Sensors, No. 14, pp. 10895-10928; DOI: https://doi.org/10.3390/s140610895.

Nowakowski, A., Palko, T. and Wtorek, J. (2005), “Advances in electrical impedance methods in medical diagnostics”, Bull. Pol. Acad. Sci.-Tech. Sci., Vol. 53, No. 5, pp. 231-243.

Nikolaev, D.V., Smirnov, A.V., Bobrynskaia Y.H., and Rudnev S.H. (2009), Bioimpedansnyi analiz sostava tela cheloveka, [Human Body Bioimpedance Analysis], Nauka, Moskow, 392 p., ISBN 978-5-02-036696-1.

Li, J., Igbe, T., Liu, Y. et al. (2018), “An approach for noninvasive blood glucose monitoring based on bioimpedance difference considering blood volume pulsation,” IEEE Access, Vol. 6, pp. 51119–51129, DOI:

https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2866601.

Smajda, M., Khoma, V., Khoma, Y. and Otenko, V. (2019). “Zastosowanie technologii cyfrowego przetwarzania sygnałów w nowoczesnych układach reograficznych”. [A method of rheographic system design, that is based on the wide use of digital components], Przeglad Elektrotechniczny, No. 11, pp. 231-237. DOI: https://doi.org/10.15199/48.2019.11.54 (In Polish).

Dutta, A., Bera, S. C. and Das, K. (2019), “A non-invasive microcontroller based estimation of blood glucose concentration by using a modified capacitive sensor at low frequency”, AIP Advances, Vol. 9, No. 10, 105027, available at: https://doi.org/10.1063/1.5116059 (last accessed April 3, 2020).

Pope, G.C. and Halter, R.J. (2019), “Design and Implementation of an Ultra-Low Resource Electrodermal Activity Sensor for Wearable Applications”, Sensors, No. 19, 2450, DOI: https://doi.org/10.3390/s19112450.

Impedance Measurement Handbook. A guide to measurement technology and techniques. Application Note, 6th ed., Keysight Technologies, USA, 2016, 140 p., available at: https://www.keysight.com/zz/en/assets/7018-06840/application-notes/5950-3000.pdf (last accessed April 3, 2020).

Khoma, V.V., Pokhodylo, Ye.V. (2013), Problemno-oriientovani zasoby vymiriuvannia imitansu. Teoriia i praktyka, [Prob-lem-oriented immitance meter. Theory and Practice: Monograph], Vydavnytstvo Lvivskoi politekhniky, Lviv, 264 p., IBSN 978-617-607-433-5.

Matsiev, L. (2015), “Improving Performance and Versatility of Systems Based on Single-Frequency DFT Detectors Such as AD5933”, Electronics, No. 4, pp. 1-34, DOI: https://doi.org/10.3390/electronics4010001.

Stadnyk, B. and Khoma, Y. (2013), “Improving the Accuracy of the Single Chip Impedance Analyzer for Sensor Applications”, Sensors & Transducers, Vol. 150, No. 3, pp. 27-31, available at: https://www.sensorsportal.com/HTML/IFSA_Newsletter_ March_February_2013.htm, (last accessed March 5, 2020).

AD 5933. 1 MSPS, 12 bit Impedance Converter, Network Analyzer. Preliminary Data Sheet, available at: www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD5933.pdf (last accessed March 5, 2020).

AD 5934, 250 KSPS, 12 Bit Impedance Converter Network Analyzer. Preliminary Data Sheet, available at: www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD5934.pdf (last accessed March 5, 2020)

Impedance Measurement Handbook. User’s Guide, 1st ed., HIOKI E.E. Corporation, 2018, 36 p. available at: https://www.hioki.cn/ckeditor_assets/attachments/812/.pdf (last accessed April 6, 2020).

A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, Analog Devices, available at: http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev12-2-99.pdf (last accessed April 6, 2020).

Low Power, 12.65 mW, 2.3 V to 5.5 V, Programmable Waveform Generator AD9833, DataSheet, available at: https://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/ data-sheets/ad9833.pdf (last accessed February 9, 2020).

Dostal, J. (1993), Operational Amplifiers. 2nd ed., Butterworth-Heinemann, N. Y., 387 p.

Jung, W.G. (2005), Op Amp Applications Handbook, Elsevier, 895 p. ISBN 0-7506-7844-5.

AD845, Precision, 16 MHz CBFET Op Amp, DataSheet, available at: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD845.pdf (last accessed February 9, 2020).




Copyright (c) 2020 Yuriy Khoma, Volodymyr Khoma