Dado que a capacitância de entrada da placa de aquisição, utilizada do desenvolvimento do sistema, limita à medição de baixas impedâncias para freqüências superiores a 100 kHz, faz-se necessário a utilização de um pré-amplificador com baixa capacitância de entrada.
Para reduzir os efeitos das capacitâncias dos circuitos de multiplexação, faz-se necessário a utilização de componentes com valores menores de capacitância.
Para utilizar o sistema EIE na determinação de patologias dado as alterações nos parâmetros elétricos do tecido, fazem-se necessários testes in-vitro em tecidos de pacientes.
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ANEXO A - PROTÓTIPO DESENVOLVIDO
1 - CNT1: Alimentação principal;
2 - Fonte de Corrente Controlada por Tensão (FCCT) conectada ao CNT3; 3 - CNT2: Tensão de entrada para FCCT;
4 - CNT5: Conexão da sonda de 8 eletrodos; 5 - Chaves S1 e S2;
6 - Chaves S3 e S4;
7 - CNT4: Controle do MUX; 8 - CNT6: Controle do DEMUX;
9 - CNT9: Saída da tensão no shunt 1 para amplificador; 10 - CNT10: Saída da tensão no shunt 2 para amplificador; 11 - CNT8: Saída do sinal na carga para amplificador; 12 - CNT7: Saída para placa DAQ.
CBEB 2008
ANEXO F - ARTIGOS PUBLICADOS
SISTEMA DE CALIBRAÇÃO PARA SONDAS DE ELETRODOS UTILIZADAS EM SISTEMAS DE ESPECTROSCOPIA DE IMPEDÂNCIA ELÉTRICA (EIE)
P. Bertemes Filho*, R. M. Pereira* e R. A. Stiz *Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville, Brasil
e-mail: bertemes@joinville.udesc.br
Abstract: The Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) consists of driving a current into tissue, measuring the resultant voltage and calculating the electrical tissue properties from the measuring impedance. Most of EIS systems use electrodes probes for collecting data at tissue surface. The objective of this article is to develop a calibration system to an eight-electrode probe by measuring saline solution conductivities in the range of 1 to 7 mS/cm. A measuring system containing a current source, both data acquisition and function generator boards and a signal process&control graphical interface were implemented. Results showed a maximum error of 3,2% when measuring 7 mS/cm at 500 kHz. Imedance probe may be used to characteriza tissue.
Palavras-chave: Impedance spectroscopy,
Electrode poobe, Graphical interface. Introdução
A Espectroscopia de Impedância Elétrica (EIE) é um método empregado na detenção e investigação de tecidos cancerígenos. O EIE é considerado rápido, de baixo custo, prático, eficiente e não- evasivo [1]. A utilização do método EIE na detenção e separação entre tecidos superficiais normais e cancerígenos da pele já tem mostrado bons resultados [2], [3].
Uma das técnicas mais usadas em EIE consiste na aplicação de uma corrente alternada senoidal multi-frequencial, de amplitude constante, no tecido analisado e na medição da diferença de potencial resultante. O objetivo da técnica é calcular as propriedades elétricas do tecido através da impedância de transferência (ZT), que é a razão
entre a diferença do potencial medido entre dois eletrodos e a corrente aplicada [4]. Através da medição da impedância de transferência e usando um modelo elétrico equivalente da pele, são determinados os parâmetros elétricos do tecido analisado, tais como: resistência intracelular e
extracelular, capacitância da membrana celular e dispersão elétrica do tecido [5].
A técnica de medição é do tipo tetrapolar, onde são usados dois pares de eletrodo: um para a injeção de corrente e outro para a medição da tensão resultante. Este método é relativamente insensível às alterações na impedância de contato eletrodo-tecido, tanto para os eletrodos de injeção quanto para os de medição [7].
Os eletrodos utilizados na técnica podem ser fabricados em ouro e estar dispostos em sondas de eletrodos que, por sua vez, fazem o contato com o tecido. Diferentes modelos de sonda são desenvolvidas para cada tipo de tecido sob estudo. Para alguns experimentos utiliza-se uma matriz de eletrodos, possibilitando a varredura no processo de medição em uma determinada área. Baseando-se nesta técnica foi desenvolvida uma sonda de oito eletrodos que possibilita a leitura do potencial elétrico entre as várias combinações de pares de eletrodos [1].
A medição realizada pela sonda é dada em volts, sendo necessário converter este sinal medido em termos de condutividade ou resistividade para então ser usado no estudo da espectroscopia.
O objetivo deste trabalho é elaborar um sistema de calibração para uma sonda de oito eletrodos, medindo com exatidão condutividades de soluções aquosas na faixa de 1 a 7 mS/cm.
Materiais e Métodos
O sistema de instrumentação é composto por uma fonte de corrente bipolar, uma placa geradora de sinais e uma placa de aquisição de sinais. Um programa desenvolvido em ambiente LabVIEW (versão 7.1) faz o processamento dos sinais medidos, além de configurar e controlar ambas as placas. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos do sistema de medição.
CBEB 2008 Figura 1: Diagrama de blocos do sistema de
medição, onde FCCT é uma fonte de corrente controlada por tensão.
Embora não esteja indicada na Figura 1, a entrada da fonte de corrente é um sinal senoidal de tensão com amplitude constante e freqüência variável. Este sinal é fornecido por uma placa geradora de sinais PCI-5401 (National Instruments) com resolução de 12 bits, podendo ainda gerar sinais quadrados e triangulares.
Especificamente neste trabalho, a Fonte de Corrente Controlada por Tensão (FCCT) é do tipo bipolar (também chamada de fonte de corrente balanceada) com estrutura Howland [8], [9]. A corrente injetada no meio sob estudo tem amplitude de 1 mA de pico com freqüência variável na faixa de 500 Hz a 500 kHz. Na prática, foram usadas 28 freqüências discretas ao longo da faixa.
Sonda de eletrodos – embora tenha sido usado somente 4 eletrodos no processo de medição, a sonda utilizada nos experimentos possui 8 eletrodos de ouro, com diâmetro de 1 mm cada, dispostos de modo eqüidistante ao longo de um círculo de diâmetro d (veja Figura 2), onde +C e -D são eletrodos de injeção de corrente e +A e –B são eletrodos de medição de potencial. Os outros eletrodos (+E e –F) mostrados na Figura 2 podem ser usados para modificar o arranjo geométrico da medição, porém não foram abordados neste trabalho.
Figura 2: Vista transversal da extremidade terminal da sonda, onde S=D.
Sistema de aquisição – Para a leitura do sinal de tensão foi utilizado uma placa de aquisição de sinais de 16 bits (modelo PCI-6259 da National Instruments), podendo ler até 16 canais de modo diferencial. A máxima taxa de amostragem é 1,25 MS/s por canal diferencial.
Sistema de controle – O programa de controle foi desenvolvido em linguagem de programação gráfica LabVIEW. Este é composto por sub- programas com funções específicas e pode ser dividido em quatro partes: i) geração de sinal; ii) leitura de dados; iii) varredura de freqüências; iv) armazenamento de dados.
Na geração, os parâmetros do sinal senoidal são configurados através do programa, tais como: ajuste da tensão de pico, da freqüência, da fase e do tempo de geração para uma freqüência fixa. Foi definido um valor fixo de 2.5000 amostras para cada uma das 28 freqüências na faixa de 500 Hz a 500 kHz e, então, os respectivos valores das tensões de pico foram medidos.
Como as medições foram feitas em várias freqüências, foi necessário o desenvolvimento de um sub-programa para estabelecer o sincronismo entre as placas de geração e aquisição de sinais. Este sincronismo determina a velocidade de varredura na freqüência, ou seja, primeiramente o sinal é gerado e, em seguida, ocorre o processo de leitura e o processamento digital. Este processo é executado para cada uma das 28 freqüências da faixa.
Medições em soluções – primeiramente, a sonda foi calibrada utilizando-se 10 soluções salinas com condutividades na faixa de 1,01 a 7,04 mS/cm. As condutividades foram medidas por um condutivímetro digital (modelo CD-4303 - Lutron). A tabela 1 mostra as condutividades e os valores correspondentes expressos em termos de resistividades.
Tabela 1: Soluções usadas no processo de calibração da sonda de eletrodos.
Solução Condutividade [mS/cm] Resistividade [Ohm-m]
1 1,01 9,87 2 1,21 8,23 3 1,51 6,59 4 1,84 5,43 5 2,15 4,65 6 2,95 3,38 7 4,10 2,43 8 4,92 2,03 9 5,94 1,68 10 7,04 1,42
CBEB 2008 A partir dos 28 valores de tensões medidas em
cada uma das soluções na faixa de 500 Hz a 500 kHz, foi calculado um vetor (dimensão 10x1) de calibração para cada freqüência, relacionando o valor medido de condutividade pelo condutivímetro com o valor da tensão medida pela sonda. Neste cálculo foi utilizado um polinômio de sexta ordem (n=6), como mostra a Equação (1).
( )
¦
¦
−[
( )]
= − + = = 1 0 1 28 1 n k k n i k i i a v f fρ
(1)onde ȡ(fi) é o vetor-resistividade na freqüência fi, v(fi) é o vetor-tensão e ak+1 são os coeficientes do
polinômio.
Os cálculos dos coeficientes dos polinômios foram implementados em MATLAB que,
posteriormente, são usados no programa de aquisição de dados em LabVIEW para outras soluções aquosas ou qualquer material biológico de interesse.
Resultados
A Figura 3 mostra os polinômios de ordem seis para as freqüências de 500 Hz, 5 kHz, 50 kHz e de 500 kHz. Verificou-se que o sistema de medição por meio da sonda de eletrodos apresenta imprecisões nas altas freqüências para soluções salinas concentradas, ou seja, para resistividades superiores a 3,5 -m. Também, pode ser observado que há uma variação de aproximadamente 45 m/V na resistividade para freqüências inferiores a 50 kHz..
Figura 3: Respostas das tensões medidas com a variação da resistividade das soluções salinas usadas.
Com a finalidade de validar o método de calibração desenvolvido neste trabalho, foram realizadas medições em três outras soluções salinas
de diferentes resistividades: 1,75, 2,99 e 7,52 -m. Estes valores de resistividades foram medidos previamente pelo condutivímetro digital. A Figura 4 mostra os resultados das medições feitas pela sonda de eletrodos.
Figura 4: Resposta em freqüência da resistividade em 3 soluções salinas medidas pela sonda de eletrodos.
Pode ser observado na Figura 4 que há uma pequena atenuação no valor da resistividade na freqüência de 500 kHz. Consequentemente, o erro máximo das resistividades, quando comparadas com os valores medidos pelo condutivímetro digital, encontram-se em 500 kHz. Foram calculados erros máximos de 1,8% e 3,2% para as resistividades de 7,52 e 1,75 -m, respectivamente. Conclui-se que quanto menor o valor da resistividade maior será o erro de medição pela sonda, principalmente nas altas freqüências. Discussão
Pode ser observado que para freqüências mais altas a relação entre o módulo da tensão, medida pela sonda, e a resistividade, medida pelo condutivímetro, é não linear. Este comportamento dificultou o cálculo dos coeficientes dos polinômios nestas freqüências. Talvez, para estas freqüências, primeiramente devesse ser aplicado uma linearização antes de calcular os coeficientes dos polinômios.
As tensões medidas nas freqüências superiores a 500 kHz são influenciadas por dois principais motivos: i) a resposta em freqüência da fonte de corrente utilizada neste trabalho que, por sua vez, apresenta um aumento no seu ganho unitário apartir de 200 kHz; ii) a placa de aquisição de sinais, utilizada para medir as tensões, possui uma capacitância de entrada na ordem de 100 pF que, por sua vez, causa, na freqüência de 500 kHz, uma
CBEB 2008 atenuação de aproximadamente 5,8% na corrente de
saída da fonte. Conclusão
Foi desenvolvido neste trabalho um sistema de calibração para uma sonda de oito eletrodos, medindo condutividades de soluções aquosas na faixa de 1 a 7 mS/cm. Medições foram feitas em soluções salinas, detectando-se um erro máximo de 3,2% na freqüência de 500 kHz. No entanto, para freqüências inferiores a 300 kHz, os erros foram inferiores a 0,7%.
Trabalhos estão sendo feitos para que medições em amostras biológicas possam ser feitas na faixa de freqüência de 100 Hz a 1 MHz.
Concluí-se que é possível efetuar medições do espectro da impeditividade de soluções aquosas, e de suas respectivas resistividades, através de uma sonda de eletrodos propriamente calibrada. Espera- se que este sistema de calibração da sonda possa ser utilizado em medições de tecidos biológicos em sistemas de espectroscopia de impedância elétrica. Referências
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[9] Bertemes Filho, P., Lima, R.G., Amato, M.B.P. and Tanaka, H. (2006) “Performance of an Adaptative Multiplexed Current Source used in Electrical Impedance Tomography”. In: XX Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, São Pedro (Brasil), p. 1167-1170.
Multichannel bipolar current source used in electrical impedance
spectroscopy: preliminary results
P. Bertemes-Filho1, A. S. Paterno1, R. M. Pereira1
1 State University of Santa Catarina, Department of Electrical Engineering, Joinville, Brazil
Abstract— Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) is a method used to characterize biological materials. Mostly EIS systems consist of applying a multifrequency sinusoidal current of constant amplitude in the material and measuring the resulting potential to calculating the transfer impedance. It is necessary to assure that the injecting current has constant amplitude over a wide frequency range. Some EIS systems use multichannel circuits to allow measurements covering a wide area. However, multiplexing system introduces undesirable capacitances in the EIS method. The objective of this work is to investigate the stray capacitance effects in an 8-channel bipolar current source used in EIS system. It also investigates the load effects. It was compared the measured load current to the output currents at source and sink side of the bipolar current source. The results showed that stray currents are high at higher frequencies and that the load affects the stray currents. It can be concluded that is very important know the exact current flowing in the load in order to assure accuracy measurements and then to improve EIS systems.
Keywords— Bipolar Current Source, Stray Capacitance, Electrical Impedance Spectroscopy.
INTRODUCTION
Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) has been widely used as a non-invasive technique for detecting cancerous tissues. Also, it is considered fast, of low cost, practical and efficient [1]. This technique has been shown good results for detecting normal and cancerous skin superficial tissues [2], [3]. Mostly EIS systems consist of applying a multifrequency sinusoidal current of constant amplitude in the tissue sample, measuring the resulting potential and then calculating the transfer impedance (Zt) [4]. From Zt data, the electrical properties of tissue under study can be obtained by fitting data to an equivalent electrical model. In order to identify associated pathologies is of great interest that tissue electrical parameters are calculated [5], such as: intracellular and extracellular resistance, capacitance of the cellular membrane and electric dispersion of tissue.
In order to get an accurate calculated transfer impedance lower than 1%, it is necessary to assure that the injecting current has a constant amplitude
over a wide frequency range, which may be obtained by using a current source with high output impedance [1]. However, stray capacitances reduce the current amplitude at higher frequencies [6]. The tetrapolar measuring technique is highly indicated if the objective is to reduce the effects of the stray capacitances [7]. Although this method is relatively insensitive to changes in the electrode-tissue contact impedance, inaccuracies in the electronics