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Impedanzanalysatoren: Verräterischer Widerstand

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Bio-Impedanz-Analyse

Für die Bestimmung der Körperzusammensetzung dient in der Medizin häufig die Bio-Impedanz-Analyse (BIA). Dabei handelt es sich um ein Vierdraht-Messprinzip, das Anwendungen unterstützt, die absolute Genauigkeit fordern. Eine der häufigsten Anwendungen ist die Körperfettanalyse, bei der die Menge der fettfreien Masse gemessen wird. Sie kann jedoch auch verwendet werden, um die Menge an Wasser im menschlichen Körper zu überwachen oder um das Herzverhalten durch die Bio-Impedanzspektroskopie zu messen. Der Anwendungsfall hängt dabei nicht vom Messprinzip ab, sondern von Anregungsfrequenz und Position der Elektrode am Körper. Niedrige Frequenzen bis zu einigen Hundert Hertz bleiben auf der Haut, während höhere Frequenzen tiefer in den Körper eindringen. Bei einer gesunden Person besteht rund 60 % des Körpergewichts aus Wasser. Ein Drittel des gesamten Körperwassers befindet sich außerhalb der Zellen. Wegen des elektrischen Modells der Zellstruktur messen Wechselströme jedoch nur bis zu 50 kHz durch die extrazellulären Flüssigkeiten hindurch. Höhere Frequenzen gehen darüber hinaus und können die intrazellulären Flüssigkeiten messen. Abhängig vom Ort der Elektrode am Körper, der Anregungsfrequenz und dem Algorithmus zur Interpretation der Impedanzanalyse kann die Körperzusammensetzung bestimmt werden, zum Beispiel als Prozentsatz des gesamten Körperfetts oder der Menge des Körperwassers. 

In einigen Anwendungsfällen wird eine Anregung mit nur einer Frequenz benutzt, während in anderen Applikationen mehrfache Frequenzen oder ein Frequenzdurchlauf zum Einsatz kommen. Zusätzlich kann die Frequenz bei der Anzahl von Messungen differieren. Während die Körperzusammensetzung entweder nur einmal am Tag oder einmal pro Woche gemessen wird, erfolgt die Messung das Körperwasser üblicherweise kontinuierlich über einen längeren Zeitraum. Dabei ist vor allem die geringe Verlustleistung kritisch, weshalb die Chips über eine hohe Flexibilität verfügen sollten. Bild 3 zeigt die Konfiguration für ein Vierdraht-Messprinzip. Die Unbekannte Z in dieser Konfiguration repräsentiert den menschlichen Körper.

Eine Spannung wird an die zu testende Impedanz angelegt, um sie auf ein bestimmtes Gleichtaktpotenzial zu bringen, während die Anregungswechselspannung angelegt und der Ansprechstrom mit einem schnellen Transimpedanz-Verstärker gemessen wird. Die Impedanz kann dann als Z = VM / I berechnet werden. Im Blockdiagramm ist außerdem zu erkennen, dass die Impedanz mit Widerständen und Kondensatoren vom Mess-Front-End isoliert wird. Diese Widerstände limitieren den maximalen Strom durch den Körper, während die Kondensatoren verhindern, dass eine Gleichspannung an den Körper kommt. Dies ist eine der Anforderungen, um die Kompatibilität mit medizinischen Sicherheitsstandards (zum Beispiel IEC 60601) zu erreichen.

Analog Devices Bildquelle: © Analog Devices

Bild 3. Vierdraht-Messung zur Analyse der Körperimpendanz

Biochemische Analyse 

Bei der Biochemischen Analyse handelt es sich um amperometrische/potentiostatische Messungen mit einem Sensor, der eine typische elektrochemische Zelle modelliert. Der Sensor ist häufig ein Teststreifen mit Reagenz, auf den eine Probe des zu untersuchenden Materials gegeben wird. Jeder Analyt, der sich oxidieren oder reduzieren lässt, ist ein Kandidat für solche Messungen. Für medizinische Anwendungen können verschiedene Proben von menschlichen Körperflüssigkeiten analysiert werden, zum Beispiel Blut, Urin oder Speichel. Das System benötigt eine (programmierbare) Stromquelle und einen potentiostatischen Verstärker. Die einfachste Form einer amperometrischen Messung erfolgt durch Anlegen einer stufenförmigen Ansprechspannung an den Sensor, der eine chemische Reaktion auslöst. Mit einem Transimpedanzverstärker wird der Strom als eine Referenz für diese Reaktion gemessen. Zusätzlich zur bereits beschriebenen Zweidraht-Messtechnik, lassen sich mit entsprechenden Chips auch Drei- und Vierdraht-Messungen durchführen.

Da die Messtechnik immer dieselbe ist, bestimmt der Teststreifen die zu testende Probe. Blutzucker ist dabei die populärste Form – der Biosensor basiert auf dem Enzym Glukoseoxidase (GOD). Bei einer Dreidraht-Konfiguration besteht die elektrochemische Zelle aus einer Arbeitselektrode (WE), auf der die Reaktion abläuft, einer Referenzelektrode (RE), die das konstante Potenzial beibehält, und einer Gegenelektrode, die den Reaktionsstrom liefert. Das Potentiostat liefert ein gewünschtes Zellen-Potential Ucell zwischen WE und RE und misst den Reaktionsstrom zwischen ihnen. Das Blockdiagramm ist in Bild 4 dargestellt. Das System ist mit drei Hauptfunktionen aufgebaut: einem bio-chemischen AFE, einem Mikrocontroller und einem spezifischen Power-Management-Chip. In naher Zukunft wird der AFE in die MCU integriert, was dann in einer Zwei-Chip-Lösung resultiert.

Zurzeit geht der Trend jedoch weg von der Glukose-Stichprobenmessung hin zu einer kontinuierlichen Blutzuckermessung (CGM). Das Messgerät misst dabei – wie der Name schon sagt – kontinuierlich den Blutzuckerspiegel und sendet die Daten an eine Insulinpumpe, die dann die nötige Dosis Insulin in den Körper injiziert. Diese Technik, auch als künstliche Bauchspeicheldrüse bezeichnet, verbessert das Leben von Menschen mit Diabetes. Anstatt eine Person ihren Blutzuckerspiegel den ganzen Tag lang überwacht, läuft das System völlig selbstständig.

Messen – wichtiger Aspekt für die Gesundheit

Am Körper tragbare Elektronikgeräte, Systeme für Pflegeorte, über die Cloud vernetzte Systeme und das Internet der Dinge sind Begriffe, die wir praktisch jeden Tag hören. Das Messen ist ein wichtiger Aspekt in all diesen Systemen und unter der Vielzahl unterschiedlicher Messtechniken ist auch die Impedanzmessung. Die Impedanzanalysatoren müssen die Anforderungen der heutigen Bedürfnisse erfüllen, dazu gehört auch ein hochleistungsfähiges und flexibles analoges Front-End. Die Kombination aus hoher Genauigkeit, geringem Leistungsbedarf und kleinen Ausmaßen eröffnen ihnen einen großen Bereich an neuen Märkten und Anwendungen, die in der Vergangenheit nur schwer zu adressieren waren.

Zuerst gesehen
Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 6 vom 02.11.2018. Hier geht’s zur vollständigen Ausgabe.

 

Analog Devices Bildquelle: © Analog Devices

Bild 4. Blockdiagramm eines biochemischen Dreidraht-Analysators.