Sinusoidal Current Source for Bioimpedance Applications Based on a Nonlinear Discrete Time Closed Loop Control Algorithm

Una fuente de corriente sinusoidal para aplicaciones de bioimpedancia basado en un algoritmo de control no lineal en tiempo discreto

Las fuentes de corriente sinusoidal son componentes fundamentales de los equipos electrónicos utilizados en el análisis de bioimpedancia y en la tomografía de impedancia eléctrica. Actualmente, estas fuentes se implementan principalmente como sistemas electrónicos analógicos. El objetivo de este documento es presentar un nuevo enfoque para el diseño de fuentes de corriente basado en sistemas de control de lazo cerrado de tiempo discreto. Los resultados experimentales se obtienen implementando la fuente de corriente en un sistema de bloques programables analógicos y digitales, y utilizando como controlador una ecuación de diferencia no lineal propuesta por los autores. Este controlador garantiza la convergencia de la amplitud de la corriente que fluye a través de la carga, hacia un nivel deseado por el usuario. Esta nueva ley de control no requiere ningún ajuste paramétrico ni conocimiento de la carga. El dispositivo desarrollado es capaz de producir una señal de corriente sinusoidal de una frecuencia que van desde 100 Hz a 120 kHz y corrientes desde 500 μA hasta 2 mA. El error de amplitud de la señal actual se mantuvo por debajo del 1 % para pruebas realizadas con cargas resistivas-capacitivas (tipo Cole). La impedancia de salida es dependiente de la frecuencia y va desde 410 kΩ hasta 966 kΩ. La distorsión armónica total es menor al 5 %. Todo el sistema propuesto está embebido en dispositivo de señal mixta PSOC 5LP, una resistencia en derivación es el único componente externo.

1. INTRODUCCIÓN

El análisis de bioimpedancia (BIA) es un enfoque para estudiar la composición de los tejidos biológicos [1]. Este análisis se realiza generalmente aplicando una señal de corriente de una o varias frecuencias al objeto estudiado y midiendo después el voltaje resultante. Las mediciones de bioimpedancia también pueden realizarse aplicando una señal de tensión y midiendo después la corriente resultante [2], [3]. La bioimpedancia ha demostrado ser una técnica muy útil, segura y no invasiva para detectar diferentes tipos de patologías como el Alzheimer [4], las alteraciones metabólicas asociadas a la obesidad [5], la malnutrición [6], el cáncer [7] y para monitorizar intervenciones de hinchazón en quemaduras leves [8]. La BIA también se ha aplicado como principio para el desarrollo de nuevos dispositivos médicos, como el presentado en [9], diseñado para medir la cantidad de fármaco liberado por una administración transdérmica. Otro dispositivo novedoso basado en BIA es el propuesto en [10], que fue concebido para detectar la llegada de ondas de pulso de presión en las arterias de los sistemas cardiovasculares. La BIA también se ha aplicado para detectar la infiltración intravenosa [11], que es la entrega involuntaria de fluidos en el espacio extravascular en lugar de en la vena.