Method of determining the frequency characteristics of electrical impedance of tissue using wideband extenders

Michał Władziński

Abstract

The dissertation describes the measurement method for tissue impedance spectrometry. The new method of calculating spectrum impedance characteristics was introduced. The modulus characteristics and phase shifting are calculated from recorded waveforms of current extortion in circuit and voltage response of tested object. All extortions waveforms have constant spectral density in specified frequency band. The proper functioning of the method was verified in series of simulations. The simulations were performed using state-space representation of the measuring circuit and tissue equivalent circuit. As extortions waveforms with: limited time sinc(t) function and modulated sinc(t) function and the impulse response of FIR filter were used. The response for each extortion was calculated and used in the new method to determine impedance spectrum. The results of simulations were compared with analytical solution of a tissue model and the Pearson correlation coefficient was calculated. The value of the determined coefficients was approximately 0.99 for all used extortions. Analysis of the results proved correctness of measurements using the proposed measurement method. Investigating the possibility of measuring the impedance spectrum using the new method required an equivalent electrical circuit of tissue model. The circuit was built using passive elements which values were chosen based on literature studies. The performed measurements also required a new measuring system which extended properties of a digital oscilloscope and an arbitrary generator. The system consists of high precision differential amplifiers used in measurement circuits and voltage controlled current source used in extortion circuit. The measurements of impedance spectroscopy have been performed using the new method in comparison to frequency sweep technique. The results were compared by calculating the Pearson correlation coefficient. The value of the Pearson coefficient suggested high correlation between results of both methods. Analysis of the results showed that the impulse response of the FIR filter and the modulated sinc(t) function used as extortions waveforms give the best performance. The new measurement method has also been used with a signal averaging technique, which increased the correlation between characteristics. The final measurements were performed on a subject’s arm. The measuring system has been supplied with a battery source to separate from the power grids. In order to obtain the reference characteristics the frequency sweep measurements were performed. Analysis of the results proved that the proposed method enables measurement of the 9 impedance of tissue and determining both the impedance module and the phase shifting characteristics.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Michał Władziński (WM / IMIB)
Michał Władziński
- Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej
Tytuł w języku polskimMetoda wyznaczania charakterystyk częstotliwościowych impedancji elektrycznej tkanek z zastosowaniem wymuszeń szerokopasmowych
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Mechatroniki (WM)
Dyscyplina naukibiocybernetyka i inżynieria biomedyczna / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data obrony24-05-2017
Data zakończenia 31-05-2017
Promotor Tadeusz Pałko (WM / IMIB)
Tadeusz Pałko
- Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej
, Szymon Cygan (WM / IMIB)
Szymon Cygan
- Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej
Recenzenci wewnętrzni Ewaryst Tkacz - [Politechnika Śląska]
Ewaryst Tkacz
-
- Politechnika Śląska
Recenzenci zewnętrzni Antoni Nowakowski - Politechnika Gdańska (PG)
Antoni Nowakowski
-
Paginacja 98
Słowa kluczowe w języku polskimimpedancja elektryczna, impedancja tkanek, charakterystyki modułu impedancji, charakterystyki przesuniecia fazowego impedancji, spektrometria impedancyjna, odpowiedz filtru FIR, modulowana funkcja sinc(t)
Słowa kluczowe w języku angielskimtissue impedance; bioimpedance spectroscopy; the impedance modulus characteristics; the phase shifting characteristics; the impulse response of FIR filter; modulated sinc(t) function
Streszczenie w języku polskimPraca jest poswiecona zagadnieniom pomiaru charakterystyk czestotliwosciowych impedancji tkanek. W jej pierwszych rozdziałach przedstawiono dotychczasowe rozwiazania pomiaru impedancji tkanek, takze wyznaczania charakterystyk czestotliwosciowych modułu impedancji i kata przesuniecia fazowego. W dalszej czesci zas przedstawiono nowa metode wyznaczania charakterystyk impedancji tkanek, w której zastosowano sygnały wymuszajace o ciagłej funkcji widmowej w ustalonym pasmie pomiarowym. W dalszej kolejnosci działanie metody zostało sprawdzone symulacyjnie. W tym celu układ pomiarowy został opisany modelem w postaci równan stanu. Jako sygnały wymuszenia zostały przetestowane rózne przebiegi, których funkcja widmowa jest ciagła i zawiera sie w dowolnym ograniczonym pasmie czestotliwosci. Na podstawie wyników przeprowadzonych symulacji zostały wybrane odpowiednie funkcje sygnałów wymuszenia, które nastepnie zostały przetestowane z uzyciem skonstruowanego układu pomiarowego i modelu elektrycznego tkanek. Do pomiarów wykonanych na układzie zastepczym zostały wybrane dwie funkcje: odpowiedzi impulsowej filtru FIR oraz modulowana funkcja sinc(t). Obie funkcje umozliwiały dobór dowolnego przedziału czestotliwosci wymuszenia. Umozliwiło to wygenerowanie sygnału, którego dolna czestotliwosc graniczna była powyzej czestotliwosci mogacych doprowadzic do pobudzenia tkanki, przy załozonej dopuszczalnej amplitudzie pradu aplikacyjnego. Przeprowadzone pomiary dowiodły, ze zaproponowana metoda pozwala na szybkie wyznaczenie obu charakterystyk tj.: modułu impedancji i kata przesuniecia fazowego. W pomiarach została zastosowana technika tetrapolarna pradowa pomiaru impedancji z usrednieniem przebiegów czasowych co pozwoliło na uzyskanie wiekszej dokładnosci otrzymywanych charakterystyk. W ramach pracy, dla weryfikacji eksperymentalnej przyjetej metody, wykonany równiez został pomiar charakterystyk impedancji tkanek pacjenta. W tym celu cały układ pomiarowy został zasilony bateryjnie, aby odseparowac go od sieci elektroenergetycznej. Pomiary impedancji zostały wykonane na ramieniu pacjenta z zastosowaniem serii wymuszen sygnałami o róznych czestotliwosciach. Pomiary te stanowiły odniesienie w dalszej analizie otrzymanych wyników. Nastepnie wykonano szereg pomiarów z uzyciem opracowanej metody z zastosowaniem dwóch rodzajów wymuszen. Analiza wyników wykazała, 7 ze zaproponowana metoda umozliwia pomiar impedancji tkanek i wyznaczanie charakterystyk czestotliwosciowych modułu impedancji oraz przesuniecia fazowego.
Plik pracy
main rozprawa Michał Władziński.pdf 7.84 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót