A microcontroller based 100 kHz - 1 mHz multi-frequency bio-impedance measurement device

Abstract

Biyolojik sistemlerin patalojik ve fizyolojik durumlarının tespitinde kullanılan kompleks biyo-empedans analizi yöntemi, gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Örnek olarak; vücut kütle endeksi, doku iskemisi, kanın tazeliği gibi durumların tespitinde biyo-empedans yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır.Bu çalışmada sunulan cihaz, genlik-oranı ve faz-farkı tespiti prensiplerine dayanan, dört elektrodlu, çoklu frekans ve taşınabilir bir biyo-empedans analiz cihazıdır. Sistem bir adet frekans üreteci, voltaj kontrollü akım kaynağı, iki özdeş sinyal yükselticisi, faz ve genlik dedektörü ve bir mikro denetleyiciden oluşmaktadır. Mikro denetleyici yazılımı CodeVisionAVR C derleyicisinde oluşturulmuş ve derlenmiş, AVRStudio 4 programı ile mikro denetleyiciye yüklenmiştir.Üretilen prototip cihazın doğruluk ve hassasiyeti, farklı RC test devrelerinden alınan ölçüm sonuçlarının HP 4284A LCR metre cihazı ile yapılan ölçüm sonuçlarıyla kıyaslanması yolu ile sınanmıştır.Elde edilen ölçüm sonuçlarının Cole-Cole diyagramları çizilerek Cole parametreleri, elde edildi. Biyo-empedans ölçümü sonuçlarının Cole-Cole diyagramında gösterilmesi ile dokuların fizyolojik durumları ile ilgili önemli sonuçlar elde edilebilir.

Complex impedance measurement of biological systems is gaining wide popularity in determining the pathological and physiological status of biological tissues in research applications such as; skin hydration, dental decay, body fat content, tissue ischemia, food freshness, blood freshness and etc.The device presented in this study is a four-probe, multi-frequency, portable bio-impedance analyzer based on magnitude-ratio and phase-difference detection principles.The system is built with a DDS frequency generator, a voltage controlled current source, two high frequency instrumentation amplifiers, a phase-gain detector and a microcontroller unit. The software for the microcontroller is written and compiled on CodeVisionAVR C Compiler and the microcontroller is programmed on AVRStudio 4.The accuracy and precision of the prototype device are checked against the HP 4284A LCR meter using different RC test loads. The results show that the overall percentage error averages of the real and imaginary parts of the complex impedance are 0.80 % and 1.78 % respectively.The Cole-Cole diagrams are generated to obtain the Cole parameters that give valuable information about the physiological status of biological tissues. Those parameters are also checked against the LCR meter. The percentage errors of ® are found to be high due to phase difference errors.