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Previous issue date: 2013-08-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Electrical Impedance Spectroscopy (EIS), also called Bioelectrical Impedance Analysis (BIA), is a non-invasive technique used for characterizing the electrical properties of biological materials, but also used for obtaining body composition properties and for analyzing food quality. Most EIS devices contain microcontrollers, digital signal generators and data acquisition boards. Digital Signal Processors (DSP) have also been used to implement EIS systems, but they su_er for multifrequency signal generation. Furthermore, DSPs do not have enough space for data storage. On the other hand, EIS systems based on Field-Programmable Gate Array (FPGA) devices are indicated when signal generation and acquisition demand integration and a very small noise level. In addition, FPGA can be used for getting real time signal processing, as it is a hardware rather than sequential execution of instructions. The bioimpedance measurements consist of injecting a sinewave into the material under study by two electrodes and measuring the resulting voltage by other pair of electrodes, which are placed in an impedance probe. Most EIS systems measure the injecting current by a shunt resistor, and then the real and imaginary part of the impedance of the load under study are calculated for each discrete frequency of the system. In this work, an EIS system is proposed based on FPGA for generating sinusoidal signals in the frequency range 0.1 to 500 kHz. It contains two acquisition channels and an interface for measuring both the modulus and phase of the impedance. A proposed EIS system is fully described. The system performance of the FPGA and the acquisition interface were comprehensively investigated. Experiments using saline solutions were used in order to calibrate the impedance probe used in this work. Measurements in raw bovine milk were made in order to validate the proposed EIS system. The results showed an error of 2% when measuring milk samples in the conductivity range of 1.46 to 2.9 mS/cm. Further measurements were made in order to investigate the e_ects in the impedance spectra due to Somatic Cell Count (SCC) and hydrogen peroxide in the bovine milk. The results showed that the impedance phase spectra are sensitive to SCC at low frequencies. It has also been shown that the impedance phase of the milk adulterated with hydrogen peroxide is almost linear in the frequency range from 1 up to 10 kHz. It was showed that real time measurements and signal processing based on FPGA can be used for developing an EIS system. The proposed system is modular and it can be portable. This might be the case of using this system for measuring and characterizing bovine milk by hand-held or in-milkline instrumentation. / Espectroscopia de Impedância Elétrica (EIE), também conhecida como Análise por Bioimpedância Elétrica, é uma técnica não-invasiva utilizada para determinação das propriedades elétricas de materiais biológicos e também empregada para obtenção da composição corporal e estudo da qualidade de alimentos. Diversos sistemas de EIE são projetados com microcontroladores, sintetizadores de sinais digitais e placas de aquisição. Processadores Digitais de Sinais (DSP) também são utilizados para projetos de sistemas de EIE, porém, eles sofrem falta de recursos para trabalhar com geração e condicionamento de sinais multifrequenciais. Além do mais, não têm espaço de memória su_ciente para o armazenamento de dados. Por outro lado, os sistemas baseados em FPGA são indicados para aplicações que envolvem geração e aquisição de sinais multifrequenciais que exigem forte integração e redução de ruídos na eletrônica. Diferente da execução sequencial de instruções, o FPGA trabalha em tempo real, já que se trata de processamento em hardware. A medição de bioimpedância consiste em injetar uma onda senoidal no material em estudo por meio de dois eletrodos e medir a tensão resultante através de outro par de eletrodos, onde estão fixados em uma sonda de impedância. A maioria dos sistemas de EIE efetuam a medição da corrente usando uma carga de teste e em seguida executam o cálculo da parte real e imaginária da impedância para cada frequência. Neste trabalho, é proposto um sistema de EIE baseado em FPGA para gerar sinais senoidais na faixa de frequência de 0,1 a 500 kHz. É composto de dois canais de aquisição e uma interface para medição de módulo e fase da impedância. Sua arquitetura detalhada está descrita nas seções seguintes, onde o desempenho da geração e aquisição de sinais foram precisamente estudados. Experimentos com soluções salinas foram realizados para calibrar o sistema, e medições com leite bovino foram efetuadas para validação do sistema proposto. Os resultados indicam um erro de 2% na medição de amostras com condutividade entre 1,46 e 2,9 mS/cm. Outras medições foram realizadas para investigar os efeitos no espectro de impedância devido a Contagem de Células Somáticas (CCS) e peróxido de hidrogênio no leite bovino e os estudos mostraram que o espectro de fase é sensível a CCS em baixas freqüências. Também foi possível veri_car que o leite adulterado com peróxido de hidrogênio apresenta fase aproximada a linear na faixa de 1 a 10 kHz. Este trabalho mostrou que a medição em tempo real com arquitetura baseada em FPGA pode ser utilizada para projetar sistemas de EIE. O sistema proposto é modular e pode ser portável, permitindo sua utilização para medição e caracterização do leite bovino inloco manualmente ou por instrumentação usando recipiente com amostra de leite.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.udesc.br #179.97.105.11:handle/2076 |
| Date | 02 August 2013 |
| Creators | Veiga, Emiliano Amarante |
| Contributors | Bertemes Filho, Pedro |
| Publisher | Universidade do Estado de Santa Catarina, Mestrado em Engenharia Elétrica Acadêmico, UDESC, BR, Engenharia Elétrica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UDESC, instname:Universidade do Estado de Santa Catarina, instacron:UDESC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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