Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
flexghzflexghz
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Pomiary w cieczach - od wody do krwi

ghost666 20 Sty 2020 09:46 2730 9
  • Pomiary w cieczach - od wody do krwi
    Określanie składu i jakości materiałów ciekłych jest niezbędne w wielu różnych zastosowaniach. Najbardziej znanym przykładem jest woda - najcenniejszy surowiec na świecie. Technologia oczyszczania wody czy filtrów do niej odgrywa ważną rolę na całym świecie i jest niezbędna nam do życia. Dostęp do stale malejących zasobów czystej wody jest coraz ważniejszym tematem. Jednak przykłady pomiarów substancji ciekłych wykraczają daleko poza wodę - bada się także inne płyny, takie jak krew, ślina czy kał (np. w medycynie). Wszystkie one muszą być badane pod kątem możliwych chorób, ponieważ mają one bezpośredni związek z naszym stanem zdrowia. Wszystkie tego typu pomiary łączy wspólna zasada pomiaru - pomiar impedancji. W artykule tym skoncentrujemy się na badaniach płynów do zastosowań medycznych. Opisane zostaną poszczególne zastosowania tych pomiarów, a także wszechstronność pomiarów impedancji cieczy.

    Badanie cieczy w medycynie

    Najbardziej rozpoznawalnym badaniem cieczy w medycynie jest pomiar poziomu glukozy we krwi. W badaniu tym kropla krwi na pasku testowym wystarcza do wyciągnięcia istotnych wniosków na temat poziomu cukru w naszym organizmie. Na podstawie wartości tej pacjent może dostosować zażywane leki lub swoją dietę do stanu zdrowia. W przyszłości rozwój tych badań powinien jednak odejść od indywidualnego pomiaru w kierunku metody ciągłego pomiaru w celu stałego monitorowania poziomu cukru we krwi. Pilnie potrzebne są tutaj jednak bardzo dokładne, energooszczędne systemy do pomiaru impedancji.

    Innym zastosowaniem pomiaru płynów są systemy do dializ. W przypadku przewlekłej niewydolności nerek, krew musi zostać przefiltrowana przez zewnętrzną maszynę. Pomiar przewodności płynu dializacyjnego odbywa się również poprzez analizę jego impedancji. W ten sposób można na przykład mierzyć poziom pH, przewodność, skład i saturację.

    Na koniec bada się również kał i mocz pacjentów. Badane są tutaj wydaliny z organizmu w celu wyciągnięcia wniosków na temat chorób i nieprawidłowości w jego działaniu. Jest to stosunkowo nowa dziedzina medycyny z wieloma różnymi zastosowaniami i szeroką gamą metod badawczych. Podstawą jest jednak pomiar impedancji za pomocą elektrod, który umożliwia rozpoznawanie różnych chorób. W tego rodzaju pomiarach sprawdzeniem poziomu pH - wykonywane są pomiary przewodności itp.

    Opisane wcześniej pomiary oczywiście nie wyczerpują listy metod diagnostycznych dla cieczy w medycynie. Istnieje jeszcze wiele innych metod badawczych, które są przydatne w technologii medycznej dla ludzi i zwierząt, na przykład pomiary poziomu hormonów lub środków farmaceutycznych. Również tutaj ważna jest metoda pomiaru impedancji badanej cieczy.

    Chociaż wszystkie te pomiary określają różne parametry, to zawsze opierają się na analizie impedancji badanej substancji. Pomimo wielu twarzy, wszystkie mają jedną wspólną cechę - potrzeba energooszczędnego i kompaktowego rozwiązania do obsługi urządzeń elektroniki noszonej. Poniżej opisano różne metody pomiaru impedancji cieczy. Są one używane częściowo w połączeniu, a częściowo indywidualnie, aby umożliwić pełną analizę danych substancji, zależnie od konkretnej aplikacji.

    Różne zasady pomiaru impedancji

    Chociaż podstawowa zasada pomiaru impedancji pozostaje taka sama dla wszystkich aplikacji, istnieją duże różnice pomiędzy poszczególnymi sposobami realizacji pomiaru. Poniżej omówiono najbardziej odpowiednie dla medycyny i diagnostyki medycznej metody badania cieczy i pomiaru jej impedancji.

    Pomiary w cieczach - od wody do krwi
    Potencjostat

    Najbardziej podstawowa i powszechnie stosowana metoda pomiaru w elektrochemii i pomiarach impedancji oparta jest na tzw. potencjostacie. Jak pokazano na rysunku 1 po prawej stronie, potencjostat mierzy i kontroluje napięcie między elektrodą roboczą (WE) a elektrodą odniesienia (RE), które zanurzone są w badanym materiale. Potencjał elektrody roboczej jest utrzymywany na stałym poziomie w stosunku do potencjału elektrody odniesienia poprzez sterowanie prądem przepływającym przez tzw. elektrodę pomocniczą (CE).

    Pomiary w cieczach - od wody do krwi
    Amperometria

    Najprostsza forma pomiaru amperometrycznego polega na przyłożeniu napięcia polaryzującego do czujnika i pomiarze prądu odpowiedzi. Przykłada się tutaj stałe napięcie między elektrody RE a WE, a poziom prądu jest przekształcany na sygnał cyfrowy poprzez przetwornik prąd-napięcie, zrealizowany na wzmacniaczu transimpedancyjnym (TIA) i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Wartość mierzonego prądu zależy zarówno od samego sensora, jak i mierzonej zmiennej. Obwód taki, oparty na układzie ADuCM355, pokazano na rysunku 2 po lewej stronie (gdzie PA - wzmacniacz mocy, TIA - wzmacniacz transimpedancyjny - przetwornik prąd-napięcie, DAC - przetwornik cyfrowo-analogowy).

    Woltamperometria cykliczna

    Pomiary woltamperometryczne mają elektrochemiczne podstawy działania. W pomiarze tym potencjał ogniwa elektrochemicznego z próbką jako elektrolitem, jest powoli zwiększany, a następnie liniowo zmniejszany do punktu wyjścia. Potencjał podąża zatem za przebiegiem trójkątnym podczas pomiaru prądu przepływającego przez elektrodę WE. Woltamperometria jest na przykład wykorzystywana do pomiaru reaktywności analitu (podatności na oksydację lub redukcję). Metoda ta jest formą elektrolizy, a powstały prąd jest wynikiem właśnie redukcji lub utleniania. Dzięki temu pomiarowi zbadać można próbkę tak jakościowo, jak i ilościowo.

    Pomiar przewodnictwa

    Pomiary przewodności cieczy pozwalają na określenie rezystancji stałoprądowej w próbce. Aby zrealizować ten pomiar, dwie obojętne elektrody umieszczone są równolegle względem siebie i zanurzone w cieczy w celu pomiaru rezystancji za pomocą przebiegu prądu zmiennego (AC). Dzięki temu procesowi można oszacować ruchliwość nośników ładunku, gęstość tych cząstek oraz stopień utlenienia elektrolitu, co umożliwia określenie m. in. stężenia badanego roztworu.

    Pomiary w cieczach - od wody do krwi
    Pomiar pH

    Pomiar pH opiera się na zasadzie reakcji półogniwa, która zachodzi na membranie specjalnej elektrody i jest bezpośrednio zależna od stężenia jonów H+ (jony wodorowe). Ze zmierzonej różnicy potencjałów wynika pewne napięcie, które ma liniowy związek z wartością pH w cieczy. Jednym z głównych problemów pomiaru pH jest to, że czujniki pH mają bardzo wysoką rezystancję szeregową, co narzuca wysokie wymagania dla elektronicznych układów pomiarowych.

    Analiza impedancji elektrochemicznej

    Analiza impedancji elektrochemicznej jest pomiarem, w którym impedancja ogniwa elektrochemicznego lub sensora jest mierzona dla całej serii różnych częstotliwości. Mierząc zależność impedancji od częstotliwości można na przykład zmierzyć zużycie czujnika i odpowiednio dostosować tor pomiarowy systemu. Problemem jest tu głównie spadek dokładności czujnika w czasie (od kilku dni do tygodni, zależnie od rodzaju wybranego sensora). Może to silnie negatywnie wpływać na ogólną dokładność wykonywanych pomiarów. Tak jest na przykład w przypadku ciągłego pomiaru stężenia glukozy we krwi (CGM). Ponieważ pomiary te mają kluczowe znaczenie dla zdrowia pacjenta, dokładność czujnika musi być ciągle monitorowana. Przykładowy obwód do pomiaru impedancji elektrochemicznej w układzie pokazano na rysunku 3 po prawej stronie.

    Opisane powyżej pomiary medyczne różnią się znacznie między sobą pod względem wymagań sprzętowych i mierzonych parametrów, a zatem wymagają metod pomiaru. Oprócz tego należy przy każdym z nich dodatkowo wykonywać pomiarów temperatury, aby umożliwić kalibrację układu względem temperatury próbki. W celu uzupełnienia lub zwiększenia dokładności pomiarów, należy zastosować wiele czujników w systemie. W konstrukcji dyskretnej, wszystkie te pomiary wymagają dużej powierzchni płytki drukowanej, jako że potrzebują osobnych, dyskretnych podsystemów. Przekłada się to również na wysoki pobór mocy i zwiększony koszt urządzenia.

    Obecnie na rynku poszukuje się małych, energooszczędnych i tanich rozwiązań, które można umieścić w urządzeniach elektroniki noszonej. Firma Analog Devices opracowała układ ADuCM355, dokładnie po to, by sprostać tym wymaganiom projektowym.

    Pomiary w cieczach - od wody do krwi
    ADuCM355 - jeden układ do wszystkiego

    Jednym z rozwiązań, które mogą łączyć wszystkie opisane powyżej pomiary, jest zastosowanie mikrokontrolera ADuCM355. Ten wysoce zintegrowany układ składa się z energooszczędnego analogowego interfejsu (AFE - analogowy front-end) i mikrokontrolera, który pełni funkcje zarówno kontrolne, jak i strzegące bezpieczeństwa, takie jak realizacja algorytmów cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC). Schemat blokowy z kluczowymi komponentami układu ADuCM355 pokazano na rysunku 4.

    Opisywany układ kontroluje czujniki elektrochemiczne i biologiczne, przy wyjątkowo niskim zużyciu energii. Układ ten oparty jest na technologii procesora ARM® Cortex®-M3. Wyposażony jest w układy do pomiaru prądu, napięcia jak i rezystancji. Oprócz 16-bitowego wielokanałowego przetwornika ADC sukcesywnej aproksymacji o prędkości próbkowania 400 kSPS (400 tysięcy próbek na sekundę). Układ wyposażony jest w z bufory wejściowe ze zintegrowanym filtrem antyaliasingowym (AAF) i wzmacniaczem o programowalnym wzmocnieniu (PGA). Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) znajdujący się na wejściach prądowych ma programowalne rezystory wzmocnienia i obciążenia w celu dostosowania go do różnych typów czujników. AFE układu zawiera również wzmacniacze, które zostały specjalnie opracowane do potencjostatów do utrzymywania stałego napięcia polaryzacji względem zewnętrznego czujnika elektrochemicznego. Odpowiedni kanał wejściowy można wybrać za pomocą multipleksera wejściowego przed przetwornikiem ADC. Kanały wejściowe obejmują trzy zewnętrzne wejścia prądowe, kilka zewnętrznych wejść napięciowych oraz kanały wewnętrzne. Dwa z trzech przetworników DAC z wyjściem napięciowym to przetworniki z podwójnym wyjściem. Pierwsze wyjście tego przetwornika steruje nieodwracającym wejściem wzmacniacza potencjostatu, a drugie steruje wejściem nieodwracającym wzmacniacza transimpedancyjnego. Trzeci przetwornik cyfrowo-analogowy (czasami nazywany przetwornikiem cyfrowym o dużej prędkości) jest przeznaczony do kontroli wysokowydajnego przetwornika transimpedancyjnego do pomiarów impedancji. Zakres częstotliwości wyjściowej tego przetwornika wynosi 200 kHz. Procesor z rdzeniem ARM Cortex-M3 wyposażony jest również w elastyczny, wielokanałowy kontroler bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA), który obsługuje dwa niezależne porty szeregowego interfejsu peryferyjnego (SPI), moduł uniwersalnego asynchronicznego odbiornika/nadajnika (UART) oraz urządzenia peryferyjne komunikacyjne I²C. W razie potrzeby można skonfigurować szereg urządzeń peryferyjnych do określonych zastosowań. Te urządzenia peryferyjne obejmują interfejsy UART, I²C, dwa porty SPI oraz porty wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO). Porty GPIO można łączyć z uniwersalnymi zegarami w układzie, aby utworzyć wyjście impulsowe z modulacją szerokości wypełnienia (PWM).

    Pomiary w cieczach - od wody do krwi
    Inne pomiary

    Większość czujników dla opisanych powyżej pomiarów można obsługiwać bezpośrednio za pośrednictwem wejść układu ADuCM355. Działa to na przykład z pomiarami potencjostatycznymi, takimi jak pomiar poziomu glukozy we krwi. Natomiast dokładniejsze pomiary, takie jak przewodnictwo lub pH, wymagają przedłużonego toru sygnałowego, a zatem zewnętrznego układu, takiego jak LTC6078. Zwiększa on impedancję wejściową, aby dostosować ją do wysokiej impedancji wyjściowej czujników, a tym samym umożliwić dokładny odczyt mierzonych wartości. Oprócz poprzednio opisanych pomiarów konieczny jest tutaj pomiar temperatury, aby można było skompensować wahania pomiaru czujnika w jej funkcji. Kompletny system pomiaru pokazano na rysunku 5. Za pomocą bardziej złożonego toru sygnałowego ADuCM355 może mierzyć zarówno napięcie, jak i prąd. Z wykorzystaniem obwodu pokazanego na rysunku 5 możliwy jest pomiar impedancji w zakresie od 100 Ω do 10 MΩ. Duży zakres pomiarowy umożliwia pokrycie pełnego spektrum impedancji, jakich pomiar wymagany jest medycynie. Wysoki zakres dynamiczny pomiaru jest szczególnie ważny przy pomiarach przewodnictwa, aby można było zmierzyć różne stężenia badanych substancji.

    Podsumowanie

    Chociaż pomiary dla różnych cieczy wykorzystują pomiary impedancji jako podstawową metodę działania, nadal różnią się od siebie. Różne czujniki muszą być podłączone, aby rejestrować odmienne parametry badanego analitu. Aby z jednej strony uwzględnić tę wszechstronność, a jednocześnie wpisać się w rosnący trend w zakresie małych, energooszczędnych urządzeń noszonych, z drugiej strony tworzyć potrzebne na rynku inteligentne rozwiązania stworzony ADuCM355. ADuCM355 nie tylko spełnia wszystkie te wymagania, ale także przyjmuje rolę szwajcarskiego scyzoryka do pomiarów impedancji w aplikacjach medycznych. Ten układ scalony umożliwia - oprócz pomiarów płynów - także inne pomiary impedancji w tym sektorze, na przykład analizę tkanki tłuszczowej lub impedancji skóry. Ponadto, ze względu na swoją wszechstronność, może również mierzyć elektrochemicznie próbki gazowe, takie jak CO lub CO2, za pomocą odpowiednich czujników. Dzięki temu ADuCM355 jest wszechstronnym układem scalonym do rozmaitych pomiarów impedancji.

    O autorze

    Christoph Kammerer pracuje w oddziale firmy Analog Devices w Niemczech od lutego 2015 roku. W 2014 roku ukończył studia na Uniwersytecie Friedricha Alexandra w Erlangen, uzyskując tytuł magistra fizyki. Pracował jako stażysta w dziale rozwoju procesów w Analog Devices w Limerick w Wielkiej Brytanii. Po ukończeniu programu stażu w grudniu 2016 roku pracuje jako terenowy inżynier aplikacji w Analog Devices i specjalizuje się w nowatorskich aplikacjach. Można się z nim skontaktować pod adresem christoph.kaemmerer(malpa)analog.com


    Artykuł sponsorowany

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9552 postów o ocenie 7618, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • flexghzflexghz
  • #2
    alekt77
    Poziom 33  
    ghost666 napisał:
    Chociaż wszystkie te pomiary określają różne parametry, to zawsze opierają się na analizie impedancji badanej substancji.

    Nie zawsze opierają się na analizie impedancji, większość z nich oparta jest innych zasadach. Autor jest zapewne fachowcem w swojej dziedzinie ale niestety ma mierne pojęcie na temat diagnostyki laboratoryjnej w medycynie. Odnoszę wrażenie że artykuł jest swoistą reklamą układu ADuCM355 i innych układów produkowanych przez AD.
  • flexghzflexghz
  • #3
    Miray
    Poziom 3  
    A znasz jakieś źródła nt. pomiarów tych wielkości w medycynie?
  • #4
    Marek_Skalski
    Moderator DIY
    Bez narażania się na ujawnianie tajemnic firmy mogę zaproponować coś takiego:
    https://acutecaretesting.org/en/articles/unde...principles-behind-blood-gas-sensor-technology
    Sporo możesz znaleźć szukając na przykład materiałów szkoleniowych lub opisu zasad działania analizatorów krwi ABL800 i ABL90.

    A jak będzie za mało, to można poszukać pod hasłem wykrywania markerów rakowych za pomocą fluorescencji (przesuniętej), np. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/nr/c1nr11243k
    W skrócie, kluczem jest opracowania białka, które w kontakcie z markerami rakowymi, po naświetleniu, emituje promieniowanie w paśmie widzialnym, ale przesunięte względem długości fali oświetlającej. Na podstawie przesunięcia wnioskujemy o stężeniu markerów. Jeżeli mamy kilka różnych białek nieskorelowanych, czyli wrażliwych na różne substancje zakłócające/fałszujące, to możemy dość precyzyjnie określić zagrożenie lub stan zaawansowania choroby.
  • #5
    alekt77
    Poziom 33  
    Miray napisał:
    A znasz jakieś źródła nt. pomiarów tych wielkości w medycynie?

    Zobacz na tych stronach: :arrow: Link
  • #6
    E2MD
    Poziom 2  
    W tym artykule powinno być na początku napisane to co na końcu, że to jest dla rozwiązań " małych, energooszczędnych urządzeń noszonych". Jest kompletnie bezzasadne porównanie tego układu scalonego z wielkimi systemami jak w/w ABL800.
    Wg mnie nie ma rynku innego układu który potrafi zrobić w hardware pomiar impedancji a całość jest sterowana popularnym rdzeniem.
  • #7
    Tumiwisizm
    Poziom 25  
    Autor artykułu wyraźnie skupia się na układzie ADuCM355. Kolego ghost666 istnieją inne laboratoryjne metody określania zawartości czegokolwiek w cieczach.. chociażby (ciągle dokładne) metody chromatograficzne nie oparte na układzie ADuCM355 lub czysto chemiczne (na odczynnikach). Sam korzystałem z chromatografu i kilku innych urządzeń laboratoryjnych.. Stare konduktometry nie są oparte o podany układ, a i tak są dokładne i świetnie spełniają swoje zadanie, i innych bajerów mieć nie muszą. No i jak to niektórzy mówią: "jak coś jest do wszystkiego, to jest do niczego".
  • #8
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Tumiwisizm napisał:
    Autor artykułu wyraźnie skupia się na układzie ADuCM355. Kolego ghost666 istnieją inne laboratoryjne metody określania zawartości czegokolwiek w cieczach.. chociażby (ciągle dokładne) metody chromatograficzne nie oparte na układzie ADuCM355 lub czysto chemiczne (na odczynnikach). Sam korzystałem z chromatografu i kilku innych urządzeń laboratoryjnych.. Stare konduktometry nie są oparte o podany układ, a i tak są dokładne i świetnie spełniają swoje zadanie, i innych bajerów mieć nie muszą. No i jak to niektórzy mówią: "jak coś jest do wszystkiego, to jest do niczego".


    Oczywiście, ale czy widziałeś kiedyś chromatograf, albo spektrofotometr (do większości metod "na odczynnikach" potrzebny do pomiaru ilościowego), który mieści się w zegarku czy podobnej wielkości (i cenie) urządzeniu?

    Pamiętajmy, że targetem układów takich jak ADuCM355 są często sprzęty półprofesjonalne czy konsumenckie, a nie laboratoryjne.
  • #9
    alekt77
    Poziom 33  
    ghost666 napisał:
    Pamiętajmy, że targetem układów takich jak ADuCM355 są często sprzęty półprofesjonalne czy konsumenckie, a nie laboratoryjne.

    I z tym jak najbardziej można się zgodzić, ale w cytowanym artykule nie było to wyraźnie napisane. Mało tego można by wręcz odnieść wrażenie że omawiany układ i metody pomiarowe są wręcz dedykowane do badań laboratoryjnych, profesjonalnych. Szczególnie że w pierwszym akapicie znalazło się sformułowanie:
    ghost666 napisał:
    bada się także inne płyny, takie jak krew, ślina czy kał (np. w medycynie). Wszystkie one muszą być badane pod kątem możliwych chorób, ponieważ mają one bezpośredni związek z naszym stanem zdrowia. Wszystkie tego typu pomiary łączy wspólna zasada pomiaru - pomiar impedancji.

    Pisanie o badaniu np. kału w aspekcie aparatury półprofesjonalnej czy wręcz konsumenckiej jest chyba nieporozumieniem.
    Kolego ghost666 lubię czytać Twoje tłumaczenia artykułów i uważam że ich dobór jest interesujący. W przypadku powyższego artykułu myślę że trzeba przyjąć iż głównym zadaniem pana Kammerer'a jako pracownika AD była promocja produkowanego przez jego firmę układu a nie omawianie i wyjaśnianie metod pomiarowych w diagnostyce medycznej i laboratoryjnej.
  • #10
    Tumiwisizm
    Poziom 25  
    ghost666 napisał:
    Oczywiście, ale czy widziałeś kiedyś chromatograf, albo spektrofotometr (do większości metod "na odczynnikach" potrzebny do pomiaru ilościowego), który mieści się w zegarku czy podobnej wielkości (i cenie) urządzeniu?
    Tutaj mnie masz. Nie, nie widziałem aż tak zminiaturyzowanego sprzętu. Od lasera do pomiaru/badania składu pyłów (który mierzył 3m długości) po chromatograf (wielkości dwóch komputerów stacjonarnych) to i tak nieźle poszło do przodu. To co opisałeś (ta miniaturyzacja) jest tego typu jak zmniejszenie defibrylatora (ze szpitalnego), do takiego jaki można znaleźć w niektórych apteczkach.
    I tutaj faktycznie jest to mylące, też odniosłem takie wrażenie.
    alekt77 napisał:
    I z tym jak najbardziej można się zgodzić, ale w cytowanym artykule nie było to wyraźnie napisane. Mało tego można by wręcz odnieść wrażenie że omawiany układ i metody pomiarowe są wręcz dedykowane do badań laboratoryjnych, profesjonalnych. Szczególnie że w pierwszym akapicie znalazło się sformułowanie:
    ghost666 napisał:
    bada się także inne płyny, takie jak krew, ślina czy kał (np. w medycynie). Wszystkie one muszą być badane pod kątem możliwych chorób, ponieważ mają one bezpośredni związek z naszym stanem zdrowia. Wszystkie tego typu pomiary łączy wspólna zasada pomiaru - pomiar impedancji.