diseño de un equipo para la medida de la impedancia de la piel

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Diseño de uñ equipo para la medida de la impedañcia de la piel David Camilo Arce Zamudio Asesor: Fredy Enrique Segura Quijano 24 de Noviembre de 2013 Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Diseñ o de uñ equipo para la medida de la impedañcia de la piel

David Camilo Arce Zamudio Asesor: Fredy Enrique Segura Quijano

24 de Noviembre de 2013

Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

1

Contenido

1 Introducción .......................................................................................................................................... 3

2 Marco teórico ........................................................................................................................................ 4

2.1 Antecedentes internos .................................................................................................................. 4

2.2 Antecedentes externos ................................................................................................................. 4

2.3 Conceptos de impedancia ............................................................................................................. 5

2.4 Métodos de medida de impedancia ............................................................................................. 5

2.4.1 Puente Auto-balanceado ...................................................................................................... 6

2.5 Impedancia de la Piel .................................................................................................................... 7

3 Objetivos ............................................................................................................................................... 8

3.1 Objetivos generales....................................................................................................................... 8

3.2 Objetivos específicos .................................................................................................................... 8

4 Metodología .......................................................................................................................................... 8

5 Topologías Estudiadas ........................................................................................................................... 9

5.1 Generador de señales ................................................................................................................... 9

5.2 Demodulador .............................................................................................................................. 10

5.2.1 Demodulación síncrona ...................................................................................................... 10

5.2.2 Demodulación síncrona basada en cambio de signo .......................................................... 11

6 Diseño medidor de Impedancia de la piel .......................................................................................... 12

6.1 Diagrama de Bloques .................................................................................................................. 13

6.1.1 Generador de señales en cuadratura ................................................................................. 13

6.1.2 Amplificador de transconductancia .................................................................................... 14

6.1.3 Amplificador Diferencial ..................................................................................................... 15

6.1.4 Demodulador ...................................................................................................................... 16

6.1.5 Procesamiento y transmisión de datos ............................................................................... 17

7 Diseño Circuito impreso Generador de señales .................................................................................. 18

8 Discusión ............................................................................................................................................. 20

9 Referencias .......................................................................................................................................... 21

10 Apéndices ........................................................................................................................................ 22

10.1 Pruebas propuestas generador de señales. ................................................................................ 22

2

10.2 Pruebas validación OTA .............................................................................................................. 23

Tabla de Ilustraciones Figura 1. Impedancia (Z)................................................................................................................................ 5

Figura 2. Puente Autobalanceado. [1] .......................................................................................................... 6

Figura 3. Circuito equivalente impedancia de la piel.[10][8] ........................................................................ 8

Figura 4. Modelo conceptual de un sistema de medición de bioimpedancia. [2] ........................................ 9

Figura 5. Diagrama conceptual DDS ............................................................................................................ 10

Figura 6. Demodulación coherente o síncrona. [2][6][7] ............................................................................ 10

Figura 7. Demodulación Coherente o Síncrona basada en cambio de signo [2] ........................................ 11

Figura 8. Impedancia vs Frecuencia. [12] .................................................................................................... 12

Figura 9. Diagrama Conceptual solución propuesta. .................................................................................. 13

Figura 10. OTA en modo amplificación de corriente. [15] .......................................................................... 15

Figura 11. Digrama conexión OTA ............................................................................................................... 15

Figura 12. AD830 en configuración de amplificador diferencial ganancia unitaria. ................................... 15

Figura 13. Diagrama Conexión AD830 ........................................................................................................ 16

Figura 14. Diagrama [13] ............................................................................................................................. 16

Figura 15. Diagrama de Bloques Funcional AD539. [14] ............................................................................. 17

Figura 16. Circuito Multiplicación Análoga. ................................................................................................ 17

Figura 17. Cara inferior circuito impreso .................................................................................................... 19

Figura 18. Cara superior circuito impreso. .................................................................................................. 19

3

Diseñ o de uñ equipo para la medida de la impedañcia de la piel

1 Introducción

La impedancia es un parámetro importante de los circuitos electrónicos, así como de

diferentes materiales y componentes, que permiten conocer las características de estos. Con

esto, existe la necesidad de crear equipos capaces de realizar medidas de impedancia para

diferentes aplicaciones. Dentro de las labores que adelanta el CMUA (Centro de

Microelectrónica de la Universidad de los Andes), se encuentra una línea de trabajo en la cual

se realizan sensores para diferentes tipos de aplicaciones. Para el estudio de los diferentes tipos

de sensores fabricados, es necesario tener el equipo de medida apropiado para su validación

como es un medidor de impedancias o un analizador de redes (VNA). Para realizar la medición

de la impedancia en general, la universidad cuenta con un analizador de redes (VNA), pero que

si bien realiza la tarea de manera apropiada, resulta algo robusto y sobredimensionado para

una aplicación donde el tamaño y costo son requerimientos esenciales. Con esto, se hace

necesario el diseño y la implementación de un equipo electrónico con el cual se puedan realizar

las mediciones necesarias a este tipo de sensores.

Por otro lado, también se trabaja en el desarrollo de equipos para la medida de otro tipo

de aplicaciones, como la medida de la bioimpedancia, que se refiere a medir la impedancia de

una muestra biológica. El poder realizar mediciones de bioimpedancia en los seres humanos,

permite conocer características de la composición del cuerpo, como la cantidad de agua

corporal, lo cual es un indicativo del estado de salud de una persona ya que permite conocer su

estado nutricional [5], además de conocer el estado de los diferentes tejidos en el cuerpo. Con

esto, el objetivo de este proyecto de grado consiste en realizar el diseño e implementación de

un equipo de medida que permita conocer la impedancia de la piel, para finalmente hacer

pruebas de validación sobre personas bajo diferentes condiciones.

4

2 Marco teórico

2.1 Antecedentes internos

El diseño y la implementación de este tipo de equipo para la medición de sensores no es

algo nuevo dentro del CMUA. Ya se han hecho algunos trabajos, buscando una aproximación de

prototipo para la implementación de un equipo de medida, entre los cuales se encuentran los

proyectos de grado de Jessica Montaño y Diego Roa, los cuales trabajan una topología inicial.

En el primer semestre de 2011 la tesis de pregrado de Jessica Montaño se centró en el

diseño de un equipo para la medida de impedancias a partir de componentes discretos. En este

trabajo no se logró una integración entre las diferentes partes del diseño del equipo de medida,

pero se llegó a realizar la generación de la onda de excitación requerida para la medida de la

impedancia, así como el circuito de medición a partir de amplificadores operacionales.

Por otro lado, en el primer semestre de 2012 el trabajo de grado de Diego Roa concluyó

con la implementación de un equipo de medida de impedancia, pero solamente en el rango de

kHz.

2.2 Antecedentes externos

Son pocos los trabajos sobre medición de impedancia en el caso de sensores. En general,

este tipo de medidas se lleva a cabo por VNA como se comentó anteriormente, el cual es un

equipo costoso para lo que realmente se requiere medir. Entre las pocas referencias

encontradas, en [1] se presenta la medida de impedancia por medio de un arreglo de

electrodos interdigitados, para un detector de biocapas sobre la superficie de micro-electrodos.

En cuanto a otro tipo de mediciones de impedancia se pueden encontrar numerosas

referencias, dependiendo del caso de aplicación. Para el interés de este proyecto, en el cual se

quiere implementar un instrumento capaz de medir la impedancia de piel, se tienen varias

referencias que serán tenidas en cuenta para el desarrollo del proyecto. En [5] se hace una

validación de las mediciones de bioimpedancia sobre un total de 29 personas como estimador

de la cantidad de agua corporal, comparando los resultados obtenidos con la determinación del

agua corporal por otros métodos. Se muestra además una discusión sobre la influencia que

tiene la ubicación de los electrodos en el sistema de medida. Por otro lado, en [4] se habla de la

aplicación del muestreo síncrono al proceso de demodulación que se lleva a cabo para hacer la

lectura de la bioimpedancia (parte real y parte imaginaria), con el objetivo de evitar la

demodulación de manera análoga. Finalmente, en [1] se desarrolla una tesis de doctorado cuyo

objetivo consistió en el desarrollo de una sonda para la medida de la bioimpedancia de tejidos

vivientes, con lo cual se podría monitorear heridas isquémicas en aplicaciones como cirugías al

corazón.

5

2.3 Conceptos de impedancia La impedancia (Z) se define como la oposición que ejerce un circuito, aparato u objeto al paso de

una corriente alterna a una frecuencia dada. Se representa como un número complejo

donde la parte real R corresponde a la resistencia, mientras que la parte imaginaria X corresponde a la

reactancia. De igual manera, debido a que es una cantidad compleja se puede representar de forma

polar (magnitud y fase) de la siguiente manera: con √ y

. La

reactancia puede ser de naturaleza inductiva o capacitiva ( , respectivamente), y por definición se

tiene que y

, con donde es la frecuencia de estudio. En la Figura 1 se peude

apreciar gráficamente la impedancia en el plano complejo. [1]

Figura 1. Impedancia (Z).

La medida de la impedancia es algo a lo cual se debe prestar bastante atención según la aplicación

que se requiera, y se debe escoger el método de medida más apropiado según las especificaciones y

características propias de cada aplicación. En general, los instrumentos para la medida de impedancia

miden la parte real y la parte imaginaria de esta, para luego convertir al parámetro deseado

( . La medición incorrecta de este parámetro puede resultar grave según el campo

de aplicación, por ejemplo en aplicaciones médicas donde un mal diagnóstico entregado a partir de una

medida de bioimpedancia puede resultar fatal. Los rangos de medida de los diferentes instrumentos, así

como su exactitud y precisión dependen de ciertas variables que deben ser tenidas en cuenta a la hora

de realizar una medida: Respuesta en frecuencia, amplitud de la señal aplicada, temperatura, humedad,

vibraciones, campos magnéticos, luz, vibraciones, entre otros. [1]

2.4 Métodos de medida de impedancia Según la aplicación para la que se requiera realizar una medida de impedancia, existen métodos

que pueden resultar más adecuados que otros, según las ventajas y desventajas que ofrecen y que más

se adapten a la aplicación requerida. En la Tabla 1 se exponen los métodos 6 métodos más comunes

6

para medición de impedancia, nombrando sus principales ventajas y desventajas así como su rango de

operación.

Para la aplicación de medida de impedancia que refiere a este proyecto, en el cual se medirá la

impedancia de la piel, el método más apropiado resulta ser el del puente auto balanceado puesto que

presenta las mejores características para el rango de medición que se necesita (hasta 1MHz). [1]

Tabla 1. Métodos comunes de medición de Impedancia [1]

2.4.1 Puente Auto-balanceado

Figura 2. Puente Autobalanceado. [1]

Ventajas Desventajas Rango de Frecuencia Aplicaciones comunes

Puente -Alta precisión

-Amplio ancho de banda

-Bajo costo

-Necesita ser balanceado manualmente

-Cobertura de frecuencia reducida con

un solo instrumento

DC a 300MHz Laboratorio estándar

Resonante -Buena precisión de Q (factor de

calidad) con Q altos

-Debe ser sintonizado en resonancia

-Baja pecisión de la medida de

impedancia

10kHz a 70MHz Medición de Q altos

I-V -Medición de equipo aterrizado

-Se puede usar para pruebas

patrón

Frecuencia de operación limitado por

transformador usado en la sonda10kHz a 100MHz

Medida componentes

aterrizados

RF I-V -Alta Precisión

-Amplio rango de ipedancias

para frecuencias altas

Frecuencia de operación limitado por

transformador usado la prueba1MHz a 3GHz

Medición de

componentes RF

Análisis de Red

-Alto rango de frecuencia

-Alta precisión cuando la

frecuencia desconocida es

cercana a la impedancia

característica

-Recalibración requerida cuando la

frecuencia de medida se cambiaPor encima de 300kHz

Medición de

componentes RF

Puente Auto

Balanceado

-Amplia cobertura de

frecuencia (LF a HF)

-Alta precisión para un amplio

rango de impedancia

-Medición de equipo aterrizado

-Rangos de frecuencias más altos no son

posibles.20Hz a 110 MHz

Medición de

componentes genéricos

Métodos de Medición de Impedancia

7

El rango de operación del puente auto balanceado se extiende hasta los 110MHz. Para medir la

impedancia desconocida, éste método mide la corriente y el voltaje , que se muestran en la Figura

2. Debido a la configuración que se tiene con el amplificador operacional, el voltaje es 0V en el nodo

donde llega la corriente y sale la corriente (una tierra virtual). Con esto se tiene que y el

voltaje a la salida del amplificador operacional será proporcional a esta corriente y a la resistencia R

. De esta manera si se miden los voltajes , se puede determinar el valor de la

impedancia desconocida:

2.5 Impedancia de la Piel La medida de la bioimpedancia eléctrica permite obtener información valiosa de tejidos, que resultan

útiles a la hora de determinar el buen funcionamiento de estos. De la medida de la bioimpedancia se

puede obtener parámetros tales como el contenido de agua del tejido así como su contenido graso. Uno

de los tejidos que permite realizar este tipo de mediciones es la piel, con la cual se pueden realizar

estudios de una manera no invasiva. En la Figura 3 se muestra un circuito equivalente para la

impedancia de la piel que fue propuesto inicialmente en [10]. Con , y

donde

se relaciona con la dimensión fractal de la piel, se puede obtener: [8][10]

[ ][ ]

[ ][ ]

8

Figura 3. Circuito equivalente impedancia de la piel.[10][8]

3 Objetivos

3.1 Objetivos generales

Realizar el diseño y la implementación de un equipo electrónico para la medida de la

impedancia la piel.

3.2 Objetivos específicos

Diseñar un equipo para la medida de la impedancia de la piel

Implementación del equipo diseñado.

Validación del equipo.

4 Metodología La realización de este proyecto de grado está dividida en 3 grandes Tareas. La primera de ellas es el

diseño de un equipo que esté en la capacidad de medir la impedancia de la piel. Para ello primero se

hizo una revisión bibliográfica de los conceptos básicos de la medida de impedancia en general, para

luego enfocarse en la impedancia de la piel. Seguido a esto, se revisaron diferentes topologías para

llevar a cabo la medición de la impedancia de la piel, y en base a esta realizar el diseño.

La segunda gran tarea a desarrollar durante el proyecto es la construcción del instrumento antes

diseñado. Esta etapa incluye la realización de pruebas para cada parte del diseño propuesto con el

objetivo de comprobar su funcionamiento. Además se diseñará un circuito impreso que será parte del

producto final.

La última tarea a realizar es la validación del instrumento de medida de impedancia de la piel.

9

5 Topologías Estudiadas

En la Figura 4 se muestra el modelo conceptual que se tendrá en cuenta para llevar a cabo el

diseño, propuesto en la tesis doctoral en [2]. Como se puede observar allí, el modelo cuenta con dos

grandes bloques: Acondicionamiento de la señal y Analizador de ganancia/fase. El primero de ellos

incluye el bloque de generación de la señal a diferentes frecuencias que se le va a aplicar a la

impedancia en estudio (la piel), además de la obtener las señales de voltaje equivalentes al voltaje y

corriente de la impedancia desconocida. Por otro lado, el segundo bloque incluye el control y la

demodulación de las señales de voltaje que contienen la información de la impedancia en estudio. A

continuación, se mostrarán las topologías tenidas en cuenta para cada bloque.

Figura 4. Modelo conceptual de un sistema de medición de bioimpedancia. [2]

5.1 Generador de señales Este bloque se encarga de generar una señal sinusoidal a una frecuencia conocida, y variable para

poder llevar a cabo el estudio de la impedancia de la piel en un rango de 20Hz a 1MHz. Para este bloque,

se tuvieron en cuenta varias configuraciones, las cuales se dictan a continuación:

Puente de Wien: Es un oscilador basado en un amplificador operacional, resistencias y capacitancias.

Según el valor de las resistencias y capacitancias se cambia el valor de la frecuencia de la señal sinusoidal

generada. Debido a que la aplicación requiere de un generador de señales multifrecuencia, este

oscilador no es viable implementarlo puesto que el valor de su frecuencia de operación depende de

componentes discretos.

Filtrar onda cuadrada: Generando un reloj con frecuencia variable, se puede obtener una señal seno si

se filtra su armónico fundamental. El problema de esta configuración reside en el diseño de los filtros

para cada una de las frecuencias que se tienen que generar.

10

Direct Digital Synthesis (DDS): Es el más apropiado para la aplicación deseada puesto que ofrece un

amplio rango de frecuencia de trabajo, además de que la variación de la frecuencia no depende de

componentes discretos y se puede hacer a partir de un micro-controlador. En la Figura 5 se muestra el

diagrama conceptual del funcionamiento del DDS.

Figura 5. Diagrama conceptual DDS

5.2 Demodulador El demodulador es otro de los bloques fundamentales del medidor de impedancia de la piel ya

que es el que entrega la información de la parte real y la parte imaginaria de la impedancia a partir de la

medida de corriente y voltaje. Para este bloque se tuvieron en cuenta 2 configuraciones: Demodulación

síncrona y demodulación síncrona basada en cambio de signo.

5.2.1 Demodulación síncrona

Figura 6. Demodulación coherente o síncrona. [2][6][7]

La demodulación síncrona o coherente es un método de modulación que propone que se puede

recuperar una señal en banda base si se multiplica esta señal con una onda sinusoidal de la misma

frecuencia y fase de la portadora, que en este caso resulta ser la onda sinusoidal que entrega el

generador de señales. Si luego se pasa la señal por un filtro pasa bajos, se obtiene un valor proporcional

a la amplitud y fase de la señal en banda base. Aplicado esto al medidor de impedancia, al hacer la

detección coherente con una señal en fase y en cuadratura, a la salida de los filtros que se muestra en la

11

Figura 6 se obtiene un valor proporcional a la resistencia y a la reactancia, respectivamente.

[6][7]Matemáticamente se tiene lo siguiente:

(

)

Ahora bien, al hacer pasar esta señal por un filtro pasabajos, el primer término dentro del

paréntesis, por estar al dobe de la frecuencia , es eliminado, con lo cual la salida queda dada por:

De manera similar, para la señal a la salida del filtro se obtiene:

Con esto, se obtiene un valor proporcional a la reactancia y a la resistencia, que se pueden obtener si se

tiene el valor de la corriente.

5.2.2 Demodulación síncrona basada en cambio de signo

Figura 7. Demodulación Coherente o Síncrona basada en cambio de signo [2]

12

El demodulador coherente a basado en cambio signo funciona a manera de rectificador, obteniendo un

valor ‘DC’ a cada salida, que es proporcional a la reactancia por un lado y a la resistencia por el otro. En

la Figura 7 se muestra el caso para cuando la impedancia desconocida es puramente resistiva. [2]

Debido a que esta demodulación requiere de interruptores, esto limita la frecuencia de operación del

demodulador, por lo cual para el diseño del instrumento de medida de impedancia de la piel se prefiere

trabajar con la demodulación síncrona que se expuso anteriormente.

6 Diseño medidor de Impedancia de la piel Para realizar el diseño del medidor de impedancias se tuvo en cuentas varios factores. En primer lugar,

se restringió el rango de medida de impedancia de la piel, desde 1Hz hasta 1 MHz. Más allá de este

punto, la impedancia en la piel no cambia de manera significativa. Ahora bien, para este rango de

frecuencias, en [12] se muestra un estudio de la impedancia de la piel para 24 individuos, en el que a

una frecuencia de 1Hz la magnitud de la impedancia varía entre 10k y 1M , mientras que a 1 MHz la

impedancia varía entre 100 y 500 aproximadamente (ver Figura 8).

Otro parámetro importante a tener en cuenta en la medición de la bio-impedancia eléctrica de la piel, es

la magnitud de la corriente a aplicar en la ella. Debido a que la magnitud de la corriente puede modificar

la medida de la bio-impedancia, se debe escoger corrientes pequeñas [12]. En el estudio realizado en

[12], se toman corrientes de 10uA para frecuencias inferiores a 10kHz, mientras que para frecuencias

superiores la corriente propuesta es de 100uA. Estos valores se toman como referencia para el equipo a

fabricar.

Figura 8. Impedancia vs Frecuencia. [12]

13

6.1 Diagrama de Bloques Basado en el diagrama mostrado en la Figura 4, se plantea el diagrama conceptual de la solución

propuesta que se muestra en la Figura 9. Cabe resaltar que sólo se hará la medida del voltaje en la piel,

puesto que se parte del hecho que se aplicará una corriente de magnitud constante con lo cual no se

hace necesario hacer la medición de la corriente a través de la piel (a través del lazo la corriente no

cambia). A continuación se explicará de manera detallada los bloques, así como la solución tecnológica

escogida para cada uno.

Figura 9. Diagrama Conceptual solución propuesta.

6.1.1 Generador de señales en cuadratura

Este bloque se encarga de generar una señal sinusoidal de frecuencia variable, entre 1Hz y 1MHz.

Además será utilizado para realizar la demodulación síncrona que permite obtener la parte real y la

parte imaginaria de la impedancia. Para realizar este proceso se requiere una señal en cuadratura

(desfase de 90°) con la señal que fue aplicada inicialmente a la piel. Con esto, se quiere que el bloque

genere las dos señales antes mencionadas.

Anteriormente se había comentado acerca del tipo de generador de señales más apropiado para esta

aplicación, que resultaba ser un DDS (Direct Digital Synthesis). Ahora bien, se buscó entre los

14

generadores de este tipo que son ofrecidos por la empresa Analog Devices, con lo cual se encontró la

referencia AD9854 como la más apropiada para la aplicación, principalmente porque cuenta con 2

salidas de una señal sinusoidal, y entre ellas se encuentra un desfase de 90° lo cual es perfecto para

utilizar en el bloque de demodulación. [13]

Entre las principales características de este generador, aparte de las ya mencionadas, se encuentra:

2 DAC de 12 bits de resolución (fase y cuadratura). Con esto, se pueden generar señales hasta

de 150MHz, lo cual es suficiente para la aplicación de la medida de la impedancia de la piel.

System Clock hasta de 300MHz (se puede obtener una alta resolución a la salida de los DAC)

Multiplicador interno del reloj, de 4x a 20x.

Debido a que la salida está dada por un DAC, la corriente de salida tiene componentes de alta

frecuencia, que dependen de la señal de reloj con la que trabaja el chip, que deben ser eliminados para

que no afecten las medidas de impedancia que se quieren realizar. Con esto, se debe contar con un

filtro pasa bajas a la salida del generador, tal y como se muestra en la Figura 9. Ahora bien, según la hoja

de datos del fabricante, la amplitud de la salida, tanto en fase como en cuadratura, puede variar entre

5mA y 20mA con el ajuste de una resistencia externa. Las corrientes con las cuales se desea trabajar son

mucho menores a estos valores, por lo cual se plantea el uso de un amplificador de transconductancia

(OTA), que funciona como una fuente de corriente controlada por voltaje. Así, se define una corriente a

trabajar con el generador, y conectando una resistencia a tierra a la salida se obtiene una señal de

voltaje proporcional, que será el voltaje de control del OTA. Ajustando la ganancia del OTA se puede

obtener la corriente en la magnitud necesaria para la aplicación.

Entre los modos de operación con el que cuenta el generador, está la programación de una frecuencia

simple. Se escogió este modo de operación, e ir programando en línea el generador para cambiar la

frecuencia de este y hacer el barrido completo de las frecuencias de trabajo establecidas para la

aplicación.

6.1.2 Amplificador de transconductancia

Con este bloque se pretende obtener las frecuencias aptas de trabajo para la aplicación de la medición

de la impedancia en la piel. Entre los amplificadores consultados, se escogió el OPA 860 de Texas

Instruments. Este amplificador cuenta con un amplio ancho de banda (80MHz). En la hoja de datos

proporcionada por el fabricante, se encuentra propuestas configuraciones de modo de corriente, con la

cual se encuentra que la más apta para la aplicación es la de amplificación de corriente que se muestra

en la Figura 10. La relación entre está dada por

. [15]

15

Figura 10. OTA en modo amplificación de corriente. [15]

Figura 11. Digrama conexión OTA

6.1.3 Amplificador Diferencial

Debido a que la señal de voltaje es diferencial, se requiere un amplificador diferencial para obtener una

señal de voltaje proporcional. Este amplificador debe tener un ancho de banda lo suficientemente

amplio para poder trabajar en las frecuencias de operación de la aplicación, que van hasta 1 MHz. Con

esto, se escogió el amplificador diferencial AD830 de Analog Devices, que cuenta con un ancho de banda

de 85MHz con ganancia unitaria. Además posee un alto rechazo en modo común hasta 4MHZ (60dB). En

la Figura 12 y la Figura 13 se muestra el diagrama de conexión y la configuración para el chip.

Figura 12. AD830 en configuración de amplificador diferencial ganancia unitaria.

16

Figura 13. Diagrama Conexión AD830

6.1.4 Demodulador

Para llevar a cabo el diseño del demodulador, se tiene en cuenta los componentes en los que se basa.

Esto es, una señal en fase y su correspondiente señal en cuadratura, un multiplicador, y un filtro pasa

bajas. Las señales en fase y en cuadratura serán entregadas por el generador del que se habló

previamente.

Figura 14. Diagrama [13]

En la Figura 14 se muestra una aplicación típica del generador, que ejemplifica de manera cercana el

cómo se quiere implementar el demodulador. La entrada RF/IF que allí se indica corresponde al voltaje

en la piel observado al aplicar la señal sinusoidal de corriente. Ahora bien, para llevar a cabo la

multiplicación de las señales, se escogió un multiplicador análogo de referencia AD539 producido por

Analog Devices. Entre las principales características que posee este multiplicador, y por lo cual fue

escogido es que cuenta con un amplio ancho de banda (hasta 60MHz), cuenta con poca distorsión

(0.01%) [14]. En la Figura 15 se muestra el diagrama de bloques funcional del multiplicador. Como se

puede observar allí, cuenta con dos canales independientes para la multiplicación, y una entrada común

para ambos canales, lo cual resulta conveniente para la aplicación.

17

Figura 15. Diagrama de Bloques Funcional AD539. [14]

En la Figura 16 se muestra un circuito de aplicación del AD539, en el cual se utiliza los dos canales de

multiplicación. Como se puede observar allí, cada salida corresponde a , que es

precisamente lo que se quiere, siendo la señal común entre las dos multiplicaciones y que

corresponde a la señal de voltaje vista en la piel. corresponden a las señales de fase y

cuadratura.

Figura 16. Circuito Multiplicación Análoga.

6.1.5 Procesamiento y transmisión de datos

El procesamiento de los datos será llevado a cabo por un micro-controlador. EL micro-controlador

escogido es el ATXmega32A4, que cuenta con los ADC necesario apara la adquisición de los datos. Este

microcontralodor estará además encargado de controlar la frecuencia del generador de señales,

mediante la programación progresiva de un tono simple. De esta manera, se programará una

frecuencia, y luego del proceso de demodulación síncrona y lectura de los datos obtenidos, se procede a

hacer la programación en línea de la siguiente frecuencia del barrido.

Por otra lado el micro-controlador también estará encargado de llevar a cabo la comunicación de los

datos con un dispositivo externo mediante Bluetooth.

En la Tabla 2 se resumen los componentes seleccionados, junto con su referencia.

18

Tabla 2. Componentes principales medidor de impedancia.

7 Diseño Circuito impreso Generador de señales Como primera prueba, se planteó el diseño de un primer circuito impreso para comprobar el

funcionamiento del generador de señales. Siguiendo las recomendaciones del fabricante, se realizó la

tarjeta que se muestra en la Figura 17 y en la Figura 18, que corresponde a la cara inferior y superior del

circuito impreso, respectivamente. Una de las características clave con la que debía contar el circuito

impreso era la separación de las tierras de la parte digital y análoga del chip, que sólo deben unirse en

un punto. En la cara superior del chip se dejó el plano a tierra de la parte análoga, mientras que en la

cara inferior se tiene el plano a tierra de la parte digital. Ambos planos de tierra fueron unidos mediante

un through-hole.

El circuito cuenta con un reloj a 24MHZ, con lo que se puede llegar a la frecuencia máxima con la que

trabaja el generador si se utiliza el multiplicador interno de este. Se deja opcional la opción de

programación en serie (SPI) o paralelo, según se desee.

Bloque Referencia Descripción

Generador de Señales AD9854ASVZ Generador de señales en fase y cuadratura

Amplificador de

transconductanciaOPA 860

Obtener las corrientes aptas de trabajo a partir

del generador de señales

Multplicador análogo AD539Multiplicador análogo de doble canal.

Multiplicación señal de voltaje en la piel-Señales

fase y cuadratura.

Amplificador diferencial AD830Amplificador diferencial. Entrada: Voltaje

diferencial de la Piel

Filtro AD8641 Amplificador operacional base fi ltros activos.

Microcontrolador ATXMEGA32A4-AUControl frecuencia generador de funciones.

Adquisición de datos (parte real e imaginaria

impedancia)

COMPONENTES PRINCIPALES

19

Figura 17. Cara inferior circuito impreso

Figura 18. Cara superior circuito impreso.

En el apéndice 11.1 se muestra el protocolo de pruebas para comprobar el correcto funcionamiento del

generador.

20

8 Discusión Para llevar a cabo la implementación de un equipo para la medición de la impedancia de la piel, se

deben tener en cuenta múltiples factores en el diseño que afectan el correcto funcionamiento del

medidor. Uno de los factores más importantes es la elección de la configuración de los electrodos que se

colocan sobre la piel al momento de hacer la medición, además de los materiales de fabricación de

estos, la distancia entre ellos y los cables que los conectan con el equipo. La correcta elección de estos

elementos permite reducir los niveles de ruido que afectan la medida de la impedancia.

Por otro lado, los niveles de la magnitud de la corriente aplicada a la piel debe ser muy bajos (del orden

de uA), lo cual hace que sea muy sensible al ruido por lo cual se debe tener especial cuidado en cómo se

generan estas señales. Además, el proceso de demodulación afecta la precisión de la medida, por lo que

es un bloque importante que se debe tener en cuenta a la hora del diseño.

Más allá del objetivo de este proyecto de grado, el equipo al que se quiere llegar debe ser portátil, de tal

manera que se puedan tomar mediciones a distancia con el objetivo de medir los cambios en la

impedancia de la piel de una persona que se exponga a situaciones de estrés (por ejemplo, un examen).

Debido a todas las consideraciones que se deben tener en cuenta para el diseño del equipo de la

impedancia de la piel, se requiere de un trabajo especial en cada una de ellas. Por parte de este

proyecto de grado, se llegó a la implementación de una primera tarjeta encargada de generar una señal

sinusoidal de corriente constante, la cual con el correcto acondicionamiento puede aplicarse a la piel.

Además genera una señal adicional, que está en cuadratura con la primera. La validación de esta tarjeta

aún se encuentra en desarrollo.

9 Conclusiones Durante el desarrollo de este proyecto de grado, se planteó un diseño inicial de un equipo para la

medición de la impedancia de la piel. Entre los bloques del diseño propuesto, se prestó especial cuidado

al generador de señales

Se logró el desarrollo de un a primera tarjeta la cual se encarga del bloque generador de señales. Esta

tarjeta aún se encuentra en validación.

Se plantearon las soluciones tecnológicas a utilizarse para los demás bloques del equipo para la medida

de la impedancia de la piel.

21

10 Referencias

[1] Aligent Technologies. A guide to measurement technology and techniques 4th Edition. Aligent

Technologies, 2009.

[2] Antoni Ivorra Cano. Contributions to the measurement of electrical impedance for living tissue

ischemia injury monitoring. Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Cataluña, 2005.

[3] Fredy E. Segura-Quijano. Sensor Químicos inalámbricos: Integración de sistemas de telemetría

inductiva y transductores electroquímicos. Tesis Doctoral, Universidad Autónoma de Barcelona,

2010.

[4] Pallás-Areny,R., Webster, J., “Bioelectric Impedance Measurements Using Synchronous Sampling”.

Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 40(8): 824 -829, 1993. ISSN 0018-9294.

doi:10.1109/10.238468.

[5] Luijendijk, S., Lichtenbelt, W., Westerterp, K., Wouters, L. Validation of bioelectrical-impedance

measurements as a method to estimate body-water compartments. The American Journal of Clinical

Nutrition, 1994; 60:159-66.

[6] A. B. Carlson. Communication systems: introduction to signals and noise in electrical

communication. McGraw-Hill Education, 1986.

[7] Haykin, S. Sistemas de Comunicación. Limusa Wiley, 2001.

[8] Huang, C., Huang, Y., Pan, C. Skin Impedance Model for Biological signal Analysis. IEEE 2nd

International Symposium on Next-Generation Electronics (ISNE) - February 25-26 , Kaohsiung , Taiwan.

[9] Aberg, P.; Nicander, I.; Hansson, J.; Geladi, P.; Holmgren, U.; Ollmar, S., "Skin cancer identification

using multifrequency electrical impedance-a potential screening tool," Biomedical Engineering, IEEE

Transactions on , vol.51, no.12, pp.2097,2102, Dec. 2004

[10] K. S. Cole, “Electric impedance of suspensions of spheres,” J. Gen. Physiol , vol. 12, pp. 29-36, 1928.

[11] K.S. Cole and R. H. Cole, “Dispersion and absorption in dielectrics. I. Alternating current

characteristics,” J. CHem. Pys., vol. 9, pp.-341-351, 1941.

[12] ROSELL, J., COLOMINAS, J., RIU, P., Pallás-Areny,R., Webster, J., “Skin Impedance From 1 Hz to 1 MHz,” IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 35, NO. 8, AUGUST 1988. [13]Hoja de datos AD9854. Disponible en http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9854.pdf

22

[14]Hoja de datos AD539. Disponible en http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD539.pdf [15]Hoja de datos OPA860. Disponible en http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa860.pdf [16]Hoja de datos AD830. Disponible en http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD830.pdf

11 Apéndices

11.1 Pruebas propuestas generador de señales. Con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del generador de señales, se plantea la prueba que

se presenta a continuación. Cabe aclarar que la salida de los convertidores análogo-digitales del

generador, solo permiten tener un voltaje de salida de máximo 1V en magnitud, por lo cual el rango de

resistencias para la prueba queda bastante restringido.

Prueba 1

Corriente 10mA

Valor Resistencia de

Carga [Ohms] Voltaje a observar [V]

Valor obtenido [V] 10 kHz

Valor obtenido [V] 100kHz

Valor obtenido [V] 1MHz

100 1

50 0.5

20 0.2

10 0.1

Prueba 2

Corriente 5mA

Valor Resistencia de

Carga [Ohms] Voltaje a observar [V]

Valor obtenido [V] 10 kHz

Valor obtenido [V] 100kHz

Valor obtenido [V] 1MHz

150 0.75

100 0.5

50 0.25

10 0.05

23

11.2 Pruebas validación OTA Con el fin de validar el correcto funcionamiento del amplificador de transconductancia, se plantean las

siguientes pruebas.

Prueba 1 Corriente 2uA

Trimmer 1MOhm Frecuencias 1Hz 100Hz

Valor trimmer [Ohms] Voltaje a observar [V] Valor obtenido [V] 10 Hz Valor obtenido [V] 100 Hz

1000000 2

600000 1.2

200000 0.4

50000 0.1

20000 0.04

10000 0.02

Prueba 2 Corriente 4uA

Trimmer 200kOhms Frecuencias 100Hz 10KHz

Valor trimmer [Ohms] Voltaje a observar [V] Valor obtenido [V] 100 Hz Valor obtenido [V] 10kHz

200000 0.8

100000 0.4

10000 0.04

2000 0.008

500 0.002

Prueba 3 Corriente 96uA

Trimmer 10kOhms Frecuencias 10kHz 100kHz

Valor trimmer [Ohms] Voltaje a observar [V] Valor obtenido [V] 10 kHz

Valor obtenido [V] 100kHz

6000 0.576

2000 0.192

500 0.048

100 0.0096