Analisi e Misura dell’Impedenza del sangue

Questo articolo tratta l’argomento della misura di impedenza del sangue, un’analisi molto utilizzata utile anche per monitorare la coagulazione in previsione di interventi chirurgici. Per arrivare a misurare l’impedenza del sangue si utilizzano una serie di interessanti dispositivi prodotti da Analog Devices dedicati a tale applicazione.

INTRODUZIONE

Le analisi sul sangue possono essere realizzate in diversi modi, utilizzando tecnologie che includono principalmente la misura dell’impedenza e citometria del flusso sanguigno. Sebbene ognuna di queste applicazioni abbia i propri requisiti e le relative difficoltà di misura, entrambe si basano su un'acquisizione e analisi dei dati che siano accurate, affidabili e ripetibili. Molte applicazioni richiedono elevate velocità di misura e bande molto ampie, fattori che rendono l’acquisizione ancora più critica. Sia la misura della citometria che dell’impedenza si basano su uno schema pressoché identico, composto da un generatore di stimoli, un sistema di acquisizione dati, un sistema di elaborazione dei dati e un sistema di utilizzo dei dati a seconda della finalità del prodotto.

COAGULAZIONE E IMPEDENZA

Una tipica misura che si basa sull’impedenza del sangue è la misura elettrica della coagulazione. Nel corpo umano la coagulazione è modulata da diversi fattori, ma in generale gli studi hanno mostrato che il passaggio dallo stato non coagulato a quello coagulato produce dei cambiamenti, sia a livello di carica molecolare sia a livello di mobilità delle cariche. Monitorando l’impedenza globale di un campione di sangue coagulato, viene misurato il cambiamento di conduttività, associato alla formazione di coaguli.

Figura 1: Forme d’onda a diverse frequenze stimolano il campione, la risposta viene misurata e digitalizzata

Figura 2: Analisi spettrale stimolando il campione con diverse frequenze

SISTEMA DI MISURA DELL’IMPEDENZA

Un sistema di misura dell’impedenza fornisce un’analisi rapida ed accurata dei componenti costituenti liquidi e campioni. Un segnale di stimolo, in frequenza, selezionabile dall’utente viene applicato al campione e l’impedenza di questo muta a seconda dei cambiamenti che si generano nel campione stesso. L’esame dell’impedenza risultante fornisce una indicazione su ciò che si è andato a misurare. Per esempio se un ceppo di virus conosciuto viene aggiunto ad un campione di sangue, all’interno di questo si produce una reazione chimica che altera l’impedenza del sangue. Caratterizzando questo effetto su diverse frequenze è possibile trovare un metodo per individuare quello specifico ceppo di virus.

ELETTRONICA DI MISURA

Come detto in precedenza il cuore di un’applicazione di misura dell’impedenza del sangue è l’acquisizione e l’analisi dei dati. Per rendere il processo accurato, affidabile e ripetibile l’utilizzo di dispositivi dedicati è fondamentale. In particolare esistono una serie di dispositivi di Analog Devices che ben si prestano per un sistema di questo tipo. Il primo integrato che consideriamo è l’AD5933, si tratta di un convertitore d’impedenza single chip, capace di generare differenti frequenze di stimolo ed esaminare lo spettro di impedenza risultante. L’intervallo di misura dell’impedenza va da 100 ohm a 1 Mohm, mentre lo stimolo in frequenza può arrivare fino a 100 kHz, con una risoluzione di 0,1 Hz.

I dati misurati in uscita sono composti sia dalla parte reale che dalla parte immaginaria, consentendo quindi di calcolare ampiezza e fase dell’impedenza ad ogni frequenza. Per l’AD5933 la frequenza di campionamento dell’ADC è pari ad 1MSPS. Se l’applicazione non richiede prestazioni elevatissime, anche il dispositivo AD5934 della stessa famiglia può essere un'ottima alternativa; in questo caso la frequenza di campionamento dell’ADC scende a 250KSPS e non si ha il sensore di temperatura integrato. Per entrambi il contenitore è un SSOP a 16 pin. Un altro prodotto molto interessante è l’ADuC7021, si tratta di un microcontrollore analogico di precisione, composto da un sistema integrato di acquisizione dati on-chip, composto da una MCU ARM7TDMI a 16/32 bit, un ADC da 12 bit a 1MSPS, 4 DAC, un sensore di temperatura integrato e un comparatore analogico di tensione. La MCU consente di avere prestazioni fino a 41 MIPS e dispone di 8 kb di SRAM e 62 kb di Flash/EE non volatile a bordo.

MISURA DELL’IMPEDENZA CON AD5933 PER LA COAGULAZIONE DEL SANGUE

Il generatore di frequenza integrato nell’AD5933 fornisce uno stimolo di tensione ad una sorgente esterna di impedenza ad una frequenza prestabilita. Il segnale di risposta in corrente viene campionato dall’ADC e, successivamente, sottoposto ad una trasformata di Fourier (DFT) attraverso il motore DSP integrato. L’algoritmo DFT riporta due word rispettivamente per la parte reale (R) e per la parte immaginaria (I) ad ogni frequenza. In questo modo l’ampiezza e la fase dell’impedenza possono essere calcolate su tutto lo spettro di frequenza. Il diagramma a blocchi dell’AD5933 (Figura 3) mostra l’integrazione spinta del sistema di misurazione dell’impedenza.

Figura 3: Schema a blocchi interno dell’AD5933

Il sistema ha bisogno di una fase di calibrazione iniziale, l’impedenza di misurazione viene sostituita da un resistore di precisione, in base al risultato ottenuto si calcola il fattore di scala da applicare alle successive misure. Con l’AD5933 si possono misurare valori di impedenza tra 100 ohm e 10 Mohm con una accuratezza dello 0,5 %, il tutto in un campo di frequenza da 1 kHz a 100 kHz. La letteratura medica stabilisce una correlazione tra la coagulazione del sangue e il cambio di impedenza, quindi la possibilità di avere circuiti integrati in grado di realizzare una misurazione così complessa rappresenta un'innovazione anche per chi utilizza strumenti per la misura dei tempi di coagulazione del sangue. Lo schema elettrico tipico di un circuito che utilizza l’AD5933 è mostrato in Figura 4 dove è presente anche un condizionamento sul segnale in uscita. I dispositivi a singola alimentazione come l’AD5933 spesso centrano la dinamica del segnale intorno ad un valore fisso di riferimento DC. In generale questo non rappresenta un problema per molti sistemi di misura, ma per alcuni tipi di liquidi che contengono acqua in contatto con elettrodi, valori di tensione di riferimento sopra una certa soglia possono provocare elettrolisi. Per tutelarsi contro questo fenomeno, l’eccitazione in tensione e la misurazione di corrente vengono accoppiate in AC, con un circuito simile a quello di condizionamento in Figura 4.

Figura 4: AD5933 con circuito esterno di condizionamento

In Figura 5 è possibile osservare la curva ottenuta per un campione di sangue che coagula ed uno, invece, che non coagula, la freccia della curva rossa (sangue che coagula) mostra il punto di coagulazione. Se ora sullo stesso campione di sangue aumentiamo la concentrazione di eparina (anticoagulante) vediamo come il punto di coagulazione si sposta nel grafico di Figura 6.

Figura 5 e 6: Diagrammi di confronto sull'impedenza nel tempo per lo studio della coagulazione

CONCLUSIONI

Le potenzialità di questi circuiti integrati proposti da Analog Devices per la misura dell’impedenza del sangue sono veramente interessanti e in grado di innovare l’attuale strumentazione dedicata a questo scopo. Grazie a questi dispositivi i prodotti futuri saranno di dimensioni molto più ridotte, più facilmente portabili e in grado di consumare sempre meno corrente. Per chi volesse iniziare a sviluppare con l’AD5933, Analog Devices mette a disposizione una Evaluation Board interessantissima, siglata EVAL-AD5933EBZ, visibile in Figura 7.