RAZVOJ PRENOSNIH SISTEMOV IN METOD ZA MERJENJE BIOIMPEDANCEBRAJKOVIĆ, ROBERT (Avtor) Križaj, Dejan (Mentor) Jankovec, Marko (Komentor) bioimpedančni merilni sistembiološko tkivoinštrumentarijfazno občutljiva detekcijafrekvenčna sinhronizacijamerilne metodeplavajoča prevodna elektrodavzbujanje živčnega tkivadvojni slojImplementacija bioimpedančnih merilnih sistemov na diagnostično in raziskovalno področje poleg osnovnega znanja o sestavi in električnih lastnostih bioloških tkiv, zahteva tudi poglobljeno znanje s področja načrtovanja bioimpedančnega inštrumentarija in metod. Biološka tkiva imajo zelo kompleksno sestavo, katerih struktura praviloma ni homogena in izotropna, ampak je skupek velikega števila struktur z različnimi električnimi lastnostmi, ki v zaključenih bioloških sistemih opravljajo različne funkcije. Električna impedanca bioloških tkiv (bioimpedanca) kot snovna lastnost je odvisna od mnogih fizioloških, strukturnih in geometrijskih lastnosti tkiva ter uporabna na mnogih področjih kot pokazatelj sprememb. V uvodnem delu naloge sem nekaj besed namenil opisu osnovnih lastnosti celice in bioloških tkiv, tako fizioloških kot električnih. Prav tako sem naštel in opisal osnovne parametre, s katerimi običajno opisujemo in vrednotimo električne lastnosti bioloških tkiv. Čim več informacij imamo o lastnostih merjenca (biološkega tkiva) ter vplivnih parametrih, več vhodnih podatkov za izvedbo meritev in razumevanje rezultatov posedujemo. Na raziskovalnem in medicinskem področju bioimpedančnih meritev so potrebne enostavne, natančne in predvsem zanesljive meritve, kar nam omogočajo dragi in zmogljivi impedančni analizatorji ali LCR metri z dodanimi vmesniki. Njihova slabost pa je, da so običajno preveč univerzalni, stacionarni in neprilagodljivi, ter za nekatere medicinske aplikacije in raziskave neuporabni. V disertaciji obravnavam, raziskujem in razvijam metodologijo merjenja bioimpedance s prenosnimi, prilagodljivimi in medicinsko varnimi sistemi, ki so uporabni predvsem v raziskovalne namene. Če povzamem zapisano, je cilj naloge razvoj prenosnih sistemov in metod za merjenje bioimpedance. Naloga je sestavljena iz treh ločenih tematskih sklopov, ki zajamejo merilni inštrumentarij, metode merjenja in uporabo teh na raziskovalnem biomedicinskem področju. Vsak sklop pa je sestavljen iz teoretičnega uvoda, opisa problematike, ciljev in prikaza dobljenih rezultatov. V prvem sklopu naloge sem se podrobneje ukvarjal z inštrumentarijem, signalnim zajemanjem in obdelavo podatkov. Teoretični del sem pričel s splošnim opisom pojma električne impedance, nadaljeval pa z opisom in analizo najpogosteje uporabljenih merilnih tehnik. Posebno pozornost sem posvetil tehniki s sinusnim signalom določene frekvence in rekonstrukciji merilnih rezultatov s fazno sklenjenimi ojačevalniki. Ti temeljijo na fazno občutljivi detekciji, ki ima dve temeljni operaciji: sinhrono demodulacijo in filtriranje. Na kratko sem predstavil tudi prednosti in slabosti tehnike s sestavljenim sinusnim signalom, ki je v uporabi predvsem pri merjenju impedance dinamičnih materialov s hitro spreminjajočimi se lastnostmi. Na koncu teoretičnega uvoda sem predstavil tudi osnovne komponente inštrumentarija za določitev bioimpedance. Uporaba stacionarnih impedančnih analizatorjev z velikimi dimenzijami in visoko ceno ni vedno sprejemljiva in dostopna, zato so za univerzalno uporabo bolj sprejemljivi prenosni in prilagodljivi merilni sistemi. Pri razvoju prenosnih sistemov je smiselna ločitev merilnega dela od procesirnega, saj se na ta način napravi omogoči manjšo porabo energije, hitrejšo izvedbo meritev, lažje shranjevanje ter bolj podrobno obdelavo izmerjenih signalov. V nadaljevanju prvega sklopa naloge pod rubriko rezultatov sem najprej predstavil smernice za razvoj prenosnih, cenenih in baterijsko napajanih bioimpedančnih merilnih sistemov, ki temeljijo na majhnih mikrokrmilnikih. Razvil sem enostaven merilni sistem, ki ima ločen merilni del od procesirnega, kar omogoča manjšo porabo energije, lažje shranjevanje podatkov in bolj podrobne obdelave izmerjenih signalov. Za prenos podatkov na prenosne naprave sem uporabil komunikacijski protokol WiFi. Analiziral sem pomen posameznih sklopov in s pomočjo testiranja ovrednotil negotovosti razvitega sistema. Izkaže se, da tovrstna izvedba doprinese k enostavnosti in cenenosti same naprave, vendar zgublja v pogledu natančnosti in zanesljivosti meritev. Ključna razloga sta zmogljivost mikrokrmilnika in izostanek vzbujalnega vira. Na podlagi analize sem se odločil za razvoj napetostno krmiljenega konstantnega tokovnega vzbujalnega vira. Razlog temu je natančna nastavitev in zagotovilo vzbujanja merilnega objekta z varnim in konstantnim tokom čez celotno frekvenčno območje meritev, neglede na vrednost impedance merilnega objekta. Osredotočil sem se predvsem na izvedbo temelječo na Howlandovem vezju z enostranskim napajanjem. Za oceno kvalitete in natančnosti vira sem izvedel analizo, ki je zajemala predvsem vpliv parazitnih kapacitivnosti na izhodne parametre. Znano je, da se parazitnim kapacitivnostim ne da v celoti izogniti, vendar z optimalno načrtanim tiskanim vezjem lahko njihov vpliv v veliki meri zmanjšamo. Poleg merilnega dela sem raziskoval tudi procesirni del, predvsem rekonstrukcijo merilnih rezultatov. Kot primerna metoda za rekonstrukcijo izmerjenih signalov znotraj procesirnega dela se je izkazala fazno občutljiva detekcija in pripadajoči frekvenčno odzivi analizator, ki učinkovito ločuje signale majhnih amplitud od šuma. Za verodostojno rekonstrukcijo amplitude in faze potrebujejo referenčni signal. Posebno pozornost sem usmeril v ovrednotenje vpliva frekvenčne sinhronizacije in povprečenja znotraj frekvenčno odzivnih analizatorjev. Analiziral sem vpliv različnih parametrov pri rekonstrukciji in izračunu bioimpedance. Pričel sem z nesinhronizacijo referenčnega in merjenih signalov, nadaljeval pa z analizo in oceno posledic pri odstopanjih frekvence referenčnega signala ter povezavo s faznim kotom med merjenima signaloma, številom zajetih period in različnih vrednostih parametra signal-šum. Na koncu sem vse teoretične predpostavke preveril še s pomočjo eksperimentalne analize. Izkaže se, da v primeru idealnega sinusnega vzbujalnega signala in faznega kota nič med merjenima signaloma toka in napetosti (idealen uporovni značaj merjenca) nesinhronizacija na izračun impedance ne vpliva. Z naraščanjem faznega kota in odstopanja frekvence pa napaka linearno narašča. V zadnjem delu prvega sklopa pa sem na podlagi opravljenih raziskav in izdelanih sestavnih delov načrtal koncept bioimpedančnega merilnika na merilni platformi RedPitaya, ki temelji na tehnologiji FPGA. Jedro merilnega sistema je merilna platforma RedPitaya z dodanim prilagojenim vmesnikom za meritev bioimpedančnih parametrov. Merilnik ima prav tako ločen merilni del od procesirnega in njegova posebnost je prilagoditev različnim aplikacijam v smislu frekvenčnega območja meritev, dinamičnega območja meritev, možnosti stimulacije merjenega objekta, poljubne oblike vzbujalnega signala, več-elektrodnega merjenja, ločljivosti, hitrosti itd. Prav tako sem v procesirni del programsko implementiral frekvenčno odzivni analizator. Predstavil in implementiral sem tudi tri-referenčno kalibracijsko metodo in na koncu tudi ovrednotil merilne negotovosti za magnitudo in fazo bioimpedance. V drugem sklopu naloge sem se podrobneje ukvarjal z metodami merjenja in nadgradnjo teh z vključitvijo 'plavajoče prevodne elektrode'. Teoretični uvod sem pričel z opisom razlike med pojmoma vzajemne in trans-impedance, nadaljeval pa z občutljivostjo elektrodnih sistemov na majhne spremembe kompleksne prevodnosti. V splošnem namreč velja, da večja kot je absolutna vrednost občutljivosti majhnega prostorninskega prispevka, večji je prispevek k skupni merjeni impedanci. Negativna vrednost občutljivosti majhnega prostorninskega prispevka pa pomeni, da povečanje upornosti le tega posledično povzroči zmanjšanje skupne merjene impedance. Postavitev ter velikost elektrod, tako vzbujalnih kot merilnih, je pri merjenju bioimpedance zelo pomembna. S tem namreč neposredno vplivamo na občutljivost in globino meritev. Z večanjem razdalje med elektrodama večamo globino merjenja, medtem ko s spreminjanjem dimenzij elektrod spreminjamo prostorninsko občutljivost. Obdelal sem tudi metode merjenja, kjer sem povzel značilnosti merjenja bioimpedance z dvo, tri in štiri-elektrodnim sistemom. Na koncu teoretičnega dela sem predstavil še reševanje geometrijskih modelov s pomočjo numeričnih izračunov, ki sem jih uporabil. Analiza občutljivosti je pokazala, do so področja blizu in okrog vzbujalnih elektrod bolj občutljiva na celotno meritev kot pa področja daleč stran. V določenih primerih so zanimive električne lastnosti merjenega objekta na omejenem področju merjenja med elektrodami in doprinos tega k rezultatu celotne meritve. Še več, v nekaterih primerih se zahteva zaznava sprememb električnih lastnosti na lokalnem območju merjenja. Običajno zadostuje že premik elektrod na želeno območje, ampak takrat se meri le trenutna vrednost impedance, vrednost pred pojavom spremembe pa ni znana. Kot primerno in enostavno rešitev teh problemov sem predstavil nadgradnjo 4-elektrodne meritve z dodatno neaktivno prevodno elektrodo. Cilj te je povečati lokalno zaznavanje sprememb električnih lastnosti. Dodatna elektroda ima nalogo prerazporejanja toka. V okviru rezultatov sem predstavil osnovni princip nadgradnje obstoječih metod s plavajočo prevodno elektrodo. S pomočjo numeričnih simulacij sem prikazal delovanje in potrdil predpostavko, da je s pomočjo dodane prevodne elektrode možno sklepati na globino in električne lastnosti lokalnih sprememb. Nadaljeval sem s simulacijo prikaza uporabe plavajoče elektrode kot skenirne za zaznavanje lokalni sprememb. Na koncu sem s pomočjo 3D modela prikazal še možno uporabo na raziskovalnem področju. V tretjem sklopu naloge sem razvit in izdelan inštrumentarij prilagodil z uvedbo vmesnika ter ga uporabil v raziskovalni aplikaciji na področju vzbujanja živčnih tkiv. V teoretičnem uvodu sem v grobem predstavil področje vzbujanja živčnih tkiv. Povzel sem lastnosti, katere je potrebno upoštevati pri izbiri vzbujalnega signala. Te so: razmerje med amplitudo in trajanjem, med amplitudo in razdaljo elektrod od živčnega tkiva ter med amplitudo in širino signala. Nadalje sem preučil različne vrste elektrod, ki so v uporabi na področju vzbujanja. Posebno pozornost je potrebno nameniti tudi biokompatibilnosti elektrod z tkivom. Podrobno sem analiziral tudi problem polarizacije, ki nastane pri stiku elektrode in biološkega tkiva. Zaradi različne narave tokov na stiku med elektrodo in biološkim tkivom potekajo reakcije, ki omogočajo pretvorbo med elektroni in ioni. Na površini elektrode se takoj po stiku s tkivom in navlažitvi ustvari tako imenovan dvojni sloj in znotraj tega pride do prenosa elektronov. Poleg kapacitivno značilnih pojavov na stiku elektroda-elektrolit poznamo še elektrokemijske ali faradayske, kjer na stiku poteka reakcija oksidacije ali redukcije. Opisal sem tudi značilne načine karakterizacije elektrod in ekvivalentna vezja s katerimi lahko na podlagi rezultatov meritev modeliramo in optimiziramo stik elektroda-tkivo. Obstoječi sistemi za tovrstne karakterizacije imajo običajno ločene enote, ki jih je potrebno prilagajati med seboj in posamezne meritve izvajati ločeno. To je še posebej očitno ob ločenem stimuliranju in merjenju odziva, saj lahko že med meritvami pride do spremembe razmer in jih kasneje ne moremo več zabeležiti. Kot rešitev sem predstavil prilagodljiv sistem z izdelanim vmesnikom, ki omogoča hkrati poljubno vzbujanje, merjenje napetostnega odziva in izračun bioimpedance. Bolj pomemben je vzbujalni del, saj mehanizem in oblika ter moč vzbujalnega signala vplivata na učinkovitost, selektivnost in varnost stimulacije. Znotraj uporabljene komore za vzbujanje izoliranega živčnega tkiva so platinaste elektrode, na katerih pri stiku z biološkim tkivom zaradi pretvorbe med elektroni in ioni posledično prihaja do ustvarjanja dvojnega sloja ter ostalih elektrokemijski reakcij. Izkaže se, da je za spremljanje dogajanja na elektrodah bolj primerna dvo-elektrodna meritev. Na podlagi raziskav sem pripravil stimulacijsko-merilni sistem in predvidel proceduro selektivne stimulacije živčnega tkiva s kvazi-trapeznim signalom. Primerjal sem razliko odziva med bipolarnim in polarnim vzbujalnim signalom. Meritev odziva in bioimpedance sem beležil tako z dvo-elektrodno kot štiri-elektrodno postavitvijo, ter rezultate primerjal med seboj. Ob primernem vzbujanju se lahko reakcije delno omeji in zagotovi njihovo reverzibilnost, ter s tem prepreči morebitno poškodbo vzbujanega tkiva in elektrod. Poleg meritev odziva sem s sistemom zaznaval sestavljen akcijski potencial ter na koncu sestavil bioimpedančni spekter na širšem frekvenčnem območju. Rezultate sem prvotno prikazal v Bodejevem, nato še v Wesselovem diagramu, kjer sem na podlagi značilnih potekov sklepal o vsebnosti elementov nadomestnega vezja. Dobljeni podatki so dobra osnova za nadaljnjo študijo in optimizacijo stimulacijskih mehanizmov.20182018-12-17 13:35:09Doktorsko delo/naloga105798VisID: 45061sl