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Arduinoを用いた低コスト電気バイオインピーダンス分光器の設計と開発
Design and Development of a Low-Cost Arduino-Based Electrical BioImpedance Spectrometer.
PMID: 32676449 PMCID: PMC7359956. DOI: 10.4103/jmss.JMSS_24_19.
抄録
背景:
バイオインピーダンス分光法（BIS）は、0 Hzから1 MHzの周波数で電気インピーダンスを測定するためのデバイスです。特に生理学や病理学の分野では、多くの臨床診断や基礎研究がこのデバイスに依存しています。この装置は、そのインピーダンスから総体水分、細胞外液および細胞内液、無脂肪質量、脂肪質量の情報を介して、人体の体組成を推定するために使用することができる。BIS分析では、虚血、肺水腫、皮膚がん、筋肉内腫瘍などの生理状態を知ることができます。特に、BISはハンディでコンパクト、安価、消費電力が少なく、十分に正確なリアルタイム性を持っているため、病院や家庭での使用のために、さらに広く使用されることが期待されています。これまでの研究では、AD8302利得位相検出器方式を用いた振幅比・位相差検出に基づいてBISを設計し、20kHzから1MHzまでの動作範囲を実現していました。しかし、インピーダンスは対数比の大きさから得られるため、20kHz未満の周波数では精度に限界がありました。
Background: Bioimpedance spectroscopy (BIS) is a device used to measure electrical impedance at frequencies from 0 Hz to 1 MHz. Many clinical diagnosis and fundamental researches, especially in the field of physiology and pathology, rely on this device. The device can be used to estimate human body composition, through the information of total body water, extracellular fluid and intracellular fluid, fat-free mass, and fat mass from its impedance. BIS analysis can provide physiological statuses such as ischemia, pulmonary edema, skin cancer, and intramuscular tumors. BIS is expected to be used even more widely, both for hospital or home-based use, particularly because BIS handy, compact, inexpensive, and less power-consuming with adequately accurate real-time. In previous research, the BIS design was based on the magnitude-ratio and phase-difference detection using the AD8302 gain-phase detector method which resulted in an operating range between 20 kHz and 1 MHz. However, the impedance was obtained from the logarithmic ratio magnitude which caused the device to have limited accuracy at frequencies <20 kHz.
測定方法:
本研究では、低コストなarduinoベースの電気的バイオインピーダンス分光器の設計・開発を行う。
Methods: In this research, we conduct design and development of a low-cost arduino-based electrical bioimpedance spectrometer.
結果:
プログラム可能なファンクションジェネレータとして AD9850、電圧制御電流源の OpAm として OPA2134、計器増幅器として AD620A、0 Hz から 100 kHz まで正確に動作する交流-直流変換器として AD536A を使用して、低コストのバイオインピーダンススペクトロメトリーを開発することに成功した。
Results: The low-cost bioimpedance spectrometry was successfully developed using AD9850 as the programmable function generator, OPA2134 as the OpAm of voltage-controlled current source, AD620A as the instrument amplifier and AD536A as the alternating current to direct current converter which could work accurately from 0 Hz to 100 kHz.
まとめ:
本研究で開発した多周波バイオインピーダンス装置は、5～200kHzの周波数範囲で(0.370±0.003)mAと比較的安定した電流が流れ、10Hz～100kHzの周波数範囲で90%以上の精度を有しているため、人体のインピーダンスを安全に測定することができます。
Conclusion: The multi-frequency bioimpedance device developed in this research has the capability to safely measure the impedance of the human body due to its relatively stable electric current, which is equal to (0.370 ± 0.003) mA with frequencies ranging from 5 to 200 kHz and has an accuracy of over 90% in the frequency range of 10 Hz to 100 kHz.
Copyright: © 2020 Journal of Medical Signals & Sensors.